Термокомпрессионная ультразвуковая и термозвуковая сварки (стр. 1 из 2)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

на тему:

"Термокомпрессионная, ультразвуковая и термозвуковая сварки"

МИНСК, 2008

Термокомпрессия - это процесс соединения двух материалов, находящихся в твердом состоянии, при воздействии на них теплоты и давления. Температура нагрева соединяемых термокомпрессией материалов не должна превышать температуру образования их эвтектики, и один из материалов должен быть пластинным.

Получение прочного соединения термокомпрессиоиной сваркой можно объяснись следующим образом. Как известно, идеальных поверхностей не существует. В микроскоп при сильном увеличении можно увидеть, что на поверхностях контактной площадки полупроводникового кристалла и электродной проволоки (вывода) имеется множество микровыступов и микровпадин. Если приложить давление к электродному выводу, изготовленному из пластичного материала, и нагревать, например, полупроводниковый кристалл, произойдет пластическая деформация микровыступов электродного вывода, а также час-, тачная деформация микровыступов полупроводника и взаимное затекание соединяемых материалов в микровпадины, т.е. термокомпресоионная сварка.

При термокомпрессионной сварке образуется хорошая адгезия между полупроводниковым кристаллом и электродным (Выводом и создается надежный электрический контакт. Следует отметить, что чем пластичнее материал электродных выводов/, тем большим коэффициентом адгезии он обладает. Так, золото и алюминий по сравнению с другими материалами, используемыми для электродных выводов (медь, серебро), имеют наибольший коэффициент адгезии, соответственно равный 1,84 и 1,80.

В производстве полупроводниковых приборов и ИМС термокомпрессией соединяют следующие пары материалов: золото - кремний, золото - германий, золото - алюминий, золото - золото, алюминий - алюминий, золото - серебро и алюминий - серебро.

Присоединение электродных выводов термокомпрессией может быть выполнено в виде одной или нескольких плоских точек, шарика, а также встык (шариком) и внахлест. Рассматривая присоединение электродных выводов термокомирессией, обычно имеют в виду, что сварка выполняется, как правило, в двух местах: один конец вывода приваривают к контактной площадке кристалла (первая сварка), а второй - к выводу корпуса (вторая сварка). В зависимости от принятого технологического процесса присоединения выводов (в это понятие входит также оборудование, конструкция инструмента) термокомпрессию разделяют на шариковую, клином и сшиванием.

Шариковая термокомпрессия (Рисунок 1, а) каких-либо особых пояснений не требует. Следует только отметить, что шарик 5 на конце проволочного вывода может быть получен оплавлением электродной проволоки 1 в пламени водородной горелки 4 или прикосновением к электрическому разряднику.

При оплавлении в водородном пламени получают два шарика или один. При получении двух шариков один остается свободным на конце уже присоединенного вывода, а другой находится в капилляре 3 (инструменте) и предназначен для приварки очередного электродного вывода к кристаллу 7 и контактной площадке 8. Один шарик в водородном пламени получают в том случае, когда горелку используют только для оплавления конца проволоки в шарик, выходящий из капилляра, а не для отделения присоединенного электродного вывода от проволоки при второй сварке.

С помощью разрядника и на конце проволоки образуется только один шарик, которым электродный вывод присоединяют к контактной площадке кристалла. Второй конец электродного вывода в этом случае приваривают к корпусу 9 внахлест.

Термокомпрессия клином (Рисунок 1, б) довольно сложна для выполнения. Сначала необходимо совместить контактную площадку 8 кристалла 7 с инструментом - клином 11 и электродную проволоку 1 (вывод) с его концом. Затем, после сварки, вытянув проволоку из сопла 12, надо проделать те же манипуляции для присоединения второго конца проволоки 1 к корпусу 9. Далее отделяют электродный вывод от остальной части проволоки обрывом, ножницами, перерезанием иглой о край вывода корпуса или обрезкой специальным устройством.

Обрезка специальным устройством считается наилучшим способом, так как конец проволоки не сплющивается (сплющенный конец непригоден для следующей приварки) и не остается длинных отрезков, которые не только увеличивают расход проволоки (обычно золотой), но и могут быть причиной образования коротких замыканий.

При термокомпрессии сшиванием (Рисунок 1, в) инструмент представляет собой капилляр 3 с вертикальным осевым отверстием. Иногда этот вид термокомпрессии называют петлевым. Процесс создания проволочных перемычек между кристаллом 7 и корпусом 9 в этом случае во многом напоминает обычное шитье. Только при шитье нитка проходит через боковое отверстие иголки, а при термокомпрессии сшиванием - через вертикальное осевое отверстие инструмента.

После приварки конца электродной проволоки 1 к кристаллу 7 ее вытягивают через капилляр 3, который совмещают с контактной площадкой 8 и выполняют вторую сварку. Затем проволоку обрезают ножницами 13, загибая свободный конец под инструмент.

Термокомпрессию инструментом ввиде "птичьего к л ю в а" (Рисунок 1, г) относят к термокомпрессии сшиванием. Инструмент - "птичий клюв" 14 - состоит из двух частей, между которыми пропускают электродную проволоку 1. После выполнения обеих сварок проволоку обрывают, перемещая инструмент в сторону от места сварки. Этот инструмент сложен в изготовлении и эксплуатации, поэтому имеет ограниченное применение в производстве. В то же время он обеспечивает высокую прочность соединения, так как на электродном выводе образуется его отпечаток 10 с ребром жесткости.

Необходимо отметить, что каждый способ термокомпрессии характеризуется своим отпечатком инструмента на электродном выводе.

Наиболее производительной считается шариковая термокомпрессия, но ее применяют только при сборке полупроводниковых приборов с большими контактными площадками, используя электродную проволоку диаметром более 20 мкм. При термокомпрессировании золотой электродной проволоки к кремниевому кристаллу температура нагрева составляет 350-380 °С, давление 60-100 МН/м2, а время выдержки 2-20 с. При соединении золотой проволоки со слоем золота, напыленным на пленку диоксида кремния, температура нагрева должна быть 250-370 °С, давление 60-100 МН/м2, а время 0,5-2 с.

Основным достоинством термокомпрессионной сварки является возможность соединения без флюса и припоев мeталлов в твердом состоянии при сравнительно низких температурах и малой их деформации (10 - 30%) как на воздухе, так и в атмосфере формиргаза или сухого водорода. Кроме того, термокомпрессия обладает сравнительно высокой технологичностью, заключающейся в простоте подбора режимов и изготовления оборудования, а также возможности контроля качества сварки.

Недостатки термокомпрессии - ограниченное число пар свариваемых металлов, высокие требования к качеству соединяемых поверхностей, сравнительно низкая производительность труда (обычно сварку выполняют под микроскопом).

Для присоединения электродных выводов термокомпрессией используют специальные установки, отличающиеся внешним оформлением и некоторыми особенностями конструкции, в основу которых заложены три технологических признака: способ нагрева, конструкция инструмента и вид термокомпрессионной сварки. В различных установках термокомпрессии могут нагреваться столик (Рисунок 2, а), инструмент (Рисунок 2, б) или одновременно инструмент и столик (Рисунок 2, в).

Рисунок 1. Термокомпрессионная сварка шариком (а), клином (б), сшиванием (в), "птичьим клювом" (г):

1 - электродная проволока, 2 - зажимное устройство, 3 - капилляр, 4 - водородная горелка, 5 - шарик, 6 - электродный вывод, 7,8 - контактные площадки кристалла и корпуса (платы), 9 - корпус (плата), 10 - форма отпечатка инструмента, 11 - клин, 12 - сопло, 13 - ножницы, 14 - "птичий клюв".

Рисунок 2. Разновидности термокомпресоионной сварки в зависимости от способа нагрева столика (д), инструмента (б, г), столика и инструмента (в):

1 - инструмент, 2 - электродная проволока, 3 - кристалл, 4 - корпус (плата), 5 - столик, б – нагреватель.

Разновидностью термокомпрессии является сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН) инструмента из жаропрочного материала, служащего проводником электрического тока (Рисунок 2, г). При импульсном пропускании электрического тока происходит кратковременный перегрев инструмента, в результате чего им можно сваривать электродные выводы из малопластичных металлов (меди, серебряного сплава) с тонкими металлическими пленками, нанесенными на керамику или полупроводник.

Ультразвуковая сварка - это процесс соединения двух материалов, находящихся в твердом состоянии, при незначительном нагреве с приложением определенного давления и колебаний ультразвуковой частоты.

При ультразвуковой сварке температура нагрева в зоне контакта не превышает 50-60% от температуры плавления соединяемых материалов. Контактное давление, подбираемое опытным путем, зависит от механических свойств свариваемых материалов и размеров изготовленных из них деталей. Обычно деформация деталей, соединяемых ультразвуковой сваркой, не превышает 5-20% их первоначальных размеров.

Ультразвуковую сварку выполняют в интервале частот от 18 до 250 кГц. Ультразвуковые колебания, воздействуя на соединение, нагревают его, освобождают от загрязнений и оксидов поверхности в зоне контакта, ускоряют пластическую деформацию электродных выводов. В результате происходит сближение физически чистых поверхностей на расстояние действия межатомных сил, взаимная диффузия и прочное соединение двух материалов.