МинистерствообразованияРоссийскойФедерации
Кафедра:«Электронноемашиностроение».
Сборкаполупроводниковыхприборов иинтегральныхмикросхем
Саратов2000 г.
Сборка полупроводниковыхприборов иинтегральныхмикросхемявляется наиболеетрудоемкими ответственнымтехнологическимэтапом в общемцикле их изготовления.От качествасборочныхопераций всильной степенизависят стабильностьэлектрическихпараметрови надежностьготовых изделий.
Этап сборкиначинаетсяпосле завершениягрупповойобработкиполупроводниковыхпластин попланарнойтехнологиии разделенияих на отдельныеэлементы (кристаллы).Эти кристаллы,могут иметьпростейшую(диодную илитранзисторную)структуру иливключать в себясложную интегральнуюмикросхему(с большимколичествомактивных ипассивныхэлементов) ипоступать насборку дискретных,гибридных илимонолитныхкомпозиций.
Трудностьпроцесса сборкизаключаетсяв том, что каждыйкласс дискретныхприборов и ИМСимеет своиконструктивныеособенности,которые требуютвполне определенныхсборочныхопераций ирежимов ихпроведения.
Процесс сборкивключает в себятри основныетехнологическиеоперации:присоединениекристалла коснованиюкорпуса; присоединениетоковедущихвыводов к активными пассивнымэлементамполупроводниковогокристалла квнутреннимэлементамкорпуса; герметизациякристалла отвнешней среды.
Присоединениекристаллаполупроводниковогоприбора илиИМС к основаниюкорпуса проводятс помощью процессовпайки, приплавленияс использованиемэвтектическихсплавов иприклеивания.
Основнымтребованиемк операцииприсоединениякристаллаявляется созданиесоединениякристалл основаниекорпуса, обладающеговысокой механическойпрочностью,хорошей электрои теплопроводностью.
Пайка процесс соединениядвух различныхдеталей безих расплавленияс помощью третьегокомпонента,называемогоприпоем. Особенностьюпроцесса пайкиявляется то,что припой приобразованиипаяного соединениянаходится вжидком состоянии,а соединяемыедетали в твердом.
Сущность процессапайки состоитв следующем.Если междусоединяемымидеталями поместитьпрокладки изприпоя и всюкомпозициюнагреть дотемпературыплавленияприпоя, то будутиметь местоследующие трифизическихпроцесса. Сначаларасплавленныйприпой смачиваетповерхностисоединяемыхдеталей. Далеев смоченныхместах происходятпроцессы межатомноговзаимодействиямежду припоеми каждым издвух смоченныхим материалов.При смачиваниивозможны двапроцесса: взаимноерастворениесмоченногоматериала иприпоя или ихвзаимная диффузия.После охлаждениянагретой композицииприпой переходитв твердое состояние.При этом образуетсяпрочное паяноесоединениемежду исходнымиматериаламии припоем.
Процесс пайкихорошо изучен,он прост и нетребует сложногои дорогостоящегооборудования.При серийномвыпуске изделийэлектроннойтехники припайкаполупроводниковыхкристалловк основаниямкорпусов производитсяв конвейерныхпечах, обладающихвысокойпроизводительностью.Пайка проводитсяв восстановительной(водород) илинейтральной(азот, аргон)среде. В печизагружаютмногоместныекассеты, в которыепредварительнопомещают основаниякорпусов, навескиприпоя и полупроводниковыекристаллы. Придвижении конвейернойленты кассетас соединяемымидеталямипоследовательнопроходит зонынагрева, постояннойтемпературы,охлаждения.Скорость движениякассеты итемпературныйрежим задаюти регулируютв соответствиис технологическимии конструктивнымиособенностямиконкретноготипа полупроводниковогоприбора илиИМС.
Наряду с конвейернымипечами дляприпайкиполупроводниковогокристалла коснованиюкорпуса используютустановки,которые имеютодну индивидуальнуюнагреваемуюпозицию, накоторую устанавливаюттолько однудеталь корпуса(ножку) и одинполупроводниковыйкристалл. Приработе на такойустановкеоператор спомощью манипулятораустанавливаеткристалл наоснованиекорпуса и производиткратковременныйнагрев соединяемогоузла. В зонунагрева подаетсяинертный газ.Этот способсоединениядеталей даетхорошие результатыпри условиипредварительногооблуживаниясоединяемыхповерхностейкристалла иоснованиякорпуса.
Процесс присоединениякристаллапайкой подразделяютна низкотемпературный(до 400°С) и высокотемпературный(выше 400°С). В качественизкотемпературныхприпоев используютсплавы на основесвинца и оловас добавками(до 2%) сурьмы иливисмута. Добавкасурьмы иливисмута воловянно-свинцовыйприпой позволяетизбежать появления«оловяннойчумы» в готовыхприборах иИМС при ихэксплуатациии длительномхранении.Высокотемпературныеприпои изготовляютна основе серебра(ПСр-45, ПСр-72 и др.).
На технологическийпроцесс пайкии качествополученногопаяного соединениядеталей сильноевлияние оказываютчистота соединяемыхметаллическихповерхностейи применяемогоприпоя, составатмосферырабочего процессаи наличие флюсов.
Наиболее широкоеприменениепроцесс пайкинаходит присборке дискретныхполупроводниковыхприборов (диодов,транзисторов,тиристорови Др.). Это объясняетсятем, что процесспайки даетвозможностьполучить хорошийэлектрическийи тепловойконтакт междукристалломполупроводникаи кристаллодержателемкорпуса, причемплощадь контактногосоединенияможет бытьдостаточнобольшой (дляприборов большоймощности).
Особое местопроцесс пайкизанимает призакрепленииполупроводниковогокристаллабольшой площадина основаниикорпуса измеди. В этомслучае дляснижениятермомеханическихнапряжений,возникающихза счет разницыв температурныхкоэффициентахрасширенияполупроводниковыхматериалови меди, широкоиспользуютмолибденовыеи молибденовольфрамовыетермокомпенсаторы,имеющие площадь,равную площадиполупроводниковогокристалла, аТКl—близкийк ТКlполупроводника.Такая сложнаямногоступенчатаякомпозицияс двумя прослойкамииз припоя суспехом используетсяпри сборкеполупроводниковыхприборов среднейи большой мощностей.
Дальнейшееразвитие процесспайки получилпри сборкеинтегральныхмикросхем потехнологии«перевернутогокристалла».Эта технологияпредусматриваетпредварительноесоздание напланарнойстороне кристаллас ИМС «шариковыхвыводов» или«контактныхвыступов»,которые представляютсобой бугоркииз меди, покрытыеприпоем илиоловом. Такойкристалл располагаютна поверхностиподложки илина основаниикорпуса так,чтобы бугоркисоприкасалисьс ней в определенныхучастках. Такимобразом, кристаллпереворачиваетсяи его планарнаясторона посредствомбугорков контактируетс поверхностьюоснованиякорпуса.
При кратковременномнагреве такойкомпозициипроисходитпрочное соединениеконтактныхвыступовполупроводниковогокристалла соснованиемкорпуса. Следуетотметить, чтоте участкиповерхностикорпуса, с которымисоприкасаются«выступы»,предварительнотоже облуживаются.Поэтому в моментнагрева происходитсоединениеприпоя основаниякорпуса с припоемконтактныхвыступов.
На рис. 1, а показанвариант присоединения кристаллаИМС, имеющегомедные облуженныеконтактныевыступы, к подложке.Такая конструкциявыводов небоится растеканияприпоя по подложке.Наличие высокогогрибообразноговыступа обеспечиваетнеобходимыйзазор междуполупроводниковымкристалломи подложкойпри расплавленииприпоя. Этопозволяетпроводитьприсоединениекристалла кподложке свысокой степеньюточности.
На рис. 1, в показанвариант сборкикристаллов,имеющих мягкиестолбиковыевыводы из припояна основеоловосвинец.
П
Рассмотренныйметод присоединениякристалловИМС к основаниюкорпуса илик какой-либоплате позволяетв значительнойстепени механизироватьи автоматизироватьтехнологическийпроцесс сборки.
Приплавлениес использованиемэвтектическихсплавов. Этотспособ присоединенияполупроводниковыхкристалловк основаниюкорпуса основанна образованиирасплавленнойзоны, в которойпроисходитрастворениеповерхностногослоя полупроводниковогоматериала ислоя металлаоснованиякорпуса.
В промышленностиширокое применениеполучили дваэвтектическихсплава: золотокремний(температураплавления370°С) я золотогерманий(температураплавления356°С). Процессэвтектическогоприсоединениякристалла коснованиюкорпуса имеетдве разновидности.Первый видоснован наиспользованиипрокладки изэвтектическогосплава, котораярасполагаетсямежду соединяемымиэлементами:кристалломи корпусом. Вэтом виде соединенияповерхностьоснованиякорпуса должнаиметь золотоепокрытие в видетонкой пленки,а поверхностьполупроводниковогокристалла можетне иметь золотогопокрытия (длякремния и германия)или быть покрытойтонким слоемзолота (в случаеприсоединениядругих полупроводниковыхматериалов).При нагреветакой композициидо температурыплавленияэвтектическогосплава междусоединяемымиэлементами(кристаллоснованиекорпуса) образуетсяжидкая зона.В этой жидкойзоне происходитс одной сторонырастворениеслоя полупроводниковогоматериалакристалла (илислоя золота,нанесенногона поверхностькристалла).
После охлаждениявсей системы(основаниекорпуса эвтектическийрасплавполупроводниковыйкристалл) происходитзатвердеваниежидкой зоныэвтектическогосплава, а награницеполупроводникэвтектическийсплав образуетсятвердый раствор.В результатеэтого процессасоздаетсямеханическипрочное соединениеполупроводниковогоматериала соснованиемкорпуса.
Второй видэвтектическогоприсоединениякристалла коснованиюкорпуса обычнореализуетсядля кристалловиз кремния илигермания. Вотличие отпервого видадля присоединениякристаллане используетсяпрокладка изэвтектическогосплава. В этомслучае жидкаязона эвтектическогорасплава образуетсяв результатенагрева композициипозолоченноеоснованиекорпусакристаллкремния (илигермания). Рассмотримподробнее этотпроцесс. Еслина поверхностьоснованиякорпуса, имеющеготонкий слойзолотого покрытия,поместитькристалл кремния,не имеющийзолотого покрытия,и всю системунагреть дотемпературына 4050°Свыше температурыэвтектикизолотокремний,то между соединяемымиэлементамиобразуетсяжидкая фазаэвтектическогосостава. Таккак процесссплавленияслоя золотас кремниемявляетсянеравновесным,то количествокремния и золота,растворившихсяв жидкой зоне,будет определятьсятолщиной золотогопокрытия,температуройи временемпроведенияпроцесса сплавления.При достаточнобольших выдержкахи постояннойтемпературепроцесс сплавлениязолота с кремниемприближаетсяк равновесномуи характеризуетсяпостояннымобъемом жидкойфазы золото-кремний.Наличие большогоколичестважидкой фазыможет привестик вытеканиюее из-под кристаллакремния к егопериферии.При затвердеваниивытекшая эвтектикаприводит кобразованиюдостаточнобольших механическихнапряженийи раковин вструктурекристаллакремния, которыерезко снижаютпрочностьсплавной структурыи ухудшают ееэлектрофизическиепараметры.
При минимальныхзначенияхвремени и температурысплавлениезолота с кремниемпроисходитне равномернопо всей площадисоприкосновениякристалла соснованиемкорпуса, а лишьв ее отдельныхточках.
В результатеэтого уменьшаетсяпрочностьсплавногосоединения,увеличиваютсяэлектрическоеи тепловоесопротивленияконтакта иснижаетсянадежностьполученнойарматуры.
Существенноевлияние напроцесс эвтектическогосплавленияоказываетсостояниеповерхностейисходных соединяемыхэлементов.Наличие загрязненийна этих поверхностяхприводит кухудшениюсмачиванияконтактирующихповерхностейжидкой фазойи неравномерномурастворению.
Приклеиваниеэтопроцесс соединенияэлементов другс другом, основанныйна клеящихсвойствахнекоторыхматериалов,которыепозволяютполучать механическипрочные соединениямежду полупроводниковымикристалламии основаниямикорпусов(металлическими,стекляннымиили керамическими).Прочностьсклеиванияопределяетсясилой сцеплениямежду клееми склеиваемымиповерхностямиэлементов.
Склеиваниеразличныхэлементовинтегральныхсхем даетвозможностьсоединять самыеразнообразныематериалы вразличныхсочетаниях,упрощать конструкциюузла, уменьшатьего массу, снижатьрасход дорогостоящихматериалов,не применятьприпоев иэвтектическихсплавов, значительноупрощатьтехнологическиепроцессы сборкисамых сложныхполупроводниковыхприборов и ИМС.
В результатеприклеиванияможно получатьарматуры исложные композициис электроизоляционными,оптическимии токопроводящимисвойствами.Присоединениекристалловк основаниюкорпуса с помощьюпроцесса приклеиваниянезаменимопри сборке имонтаже элементовгибридных,монолитныхи оптоэлектронныхсхем.
При приклеиваниикристалловна основаниякорпусов применяютразличные типыклеев: изоляционные,токопроводящие,светопроводящиеи теплопроводящие.По активностивзаимодействиямежду клееми склеиваемымиповерхностямиразличаютполярные (наоснове эпоксидныхсмол) и неполярные(на основеполиэтилена).
Качество процессаприклеиванияв значительнойстепени зависитне только отсвойств клея,но и от состоянияповерхностейсклеиваемыхэлементов. Дляполученияпрочного соединениянеобходимотщательнообработатьи очиститьсклеиваемыеповерхности.Важную рольв процессесклеиванияиграет температура.Так, при склеиванииэлементовконструкций,которые неподвергаютсяв последующихтехнологическихоперацияхвоздействиювысоких температур,можно использоватьклеи холодногоотвержденияна эпоксиднойоснове. Дляприклеиваниякремниевыхкристалловк металлическимили керамическимоснованиямкорпусов обычноиспользуютклей ВК-2, представляющийсобой растворкремнийорганическойсмолы в органическомрастворителес мелкодиспергированнымасбестом вкачестве активногонаполнителяили ВК32200,в котором вкачестве наполнителяиспользуютстекло иликварц.
Технологическийпроцесс приклеиванияполупроводниковыхкристалловпроводят вспециальныхсборочныхкассетах,обеспечивающихнужную ориентациюкристалла наоснованиикорпуса и необходимоеприжатие егок основанию.Собранныекассеты в зависимостиот используемогоклеящего материалаподвергаютопределеннойтермическойобработке иливыдерживаютпри комнатнойтемпературе.
Особые группысоставляютэлектропроводящиеи оптическиеклеи, используемыедля склеиванияэлементов иузлов гибридныхи оптоэлектронныхИМС. Токопроводящиеклеи представляютсобой композициина основе эпоксидныхи кремнийорганическихсмол с добавлениемпорошков серебраили никеля.Среди них наиболееширокое распространениеполучили клеиАС-40В, ЭК-А, ЭК-Б,К-3, ЭВТ и КН-1,представляющиесобой пастообразныежидкости судельнымэлектрическимсопротивлением0,010,001 Ом-см и диапазономрабочих температурот 60 до+150°С. К оптическимклеям предъявляютдополнительныетребованияпо значениюкоэффициентовпреломленияи светопропускания.Наиболее широкоераспространениеполучили оптическиеклеи ОК.-72 Ф, ОП-429,ОП-430, ОП-ЗМ.
В современныхполупроводниковыхприборах иинтегральныхмикросхемах,у которых размерконтактныхплощадок составляетнесколькодесятков микрометров,процесс присоединениявыводов являетсяодним из самыхтрудоемкихтехнологическихопераций.
В настоящеевремя дляприсоединениявыводов к контактнымплощадкаминтегральныхсхем используюттри разновидностисварки: термокомпрессионную,электроконтактнуюи ультразвуковую.
Термокомпрессионнаясварка позволяетприсоединятьэлектрическиевыводы толщинойнесколькодесятков микрометровк омическимконтактамкристалловдиаметром неменее 2050мкм, причемэлектрическийвывод можноприсоединитьнепосредственнок поверхностиполупроводникабез промежуточногометаллическогопокрытия следующимобразом. Тонкуюзолотую илиалюминиевуюпроволокуприкладываютк кристаллуи прижимаютнагретым стержнем.После небольшойвыдержки проволокаоказываетсяплотно сцепленнойс поверхностьюкристалла.Сцеплениепроисходитвследствиетого, что дажепри небольшихудельных давлениях,действующихна кристаллполупроводникаи не вызывающихего разрушения,локальноедавление вмикровыступахна поверхностиможет бытьвесьма большим.Это приводитк пластическойдеформациивыступов, чемуспособствуетподогрев дотемпературыниже эвтектическойдля данногометалла иполупроводника,что не вызываеткаких-либоизменений вструктурекристалла.Происходящаядеформация(затекание)микровыступови микровпадинобусловливаетпрочную адгезиюи надежныйконтакт, вследствиеван-дер-ваальсовыхсил сцепления,а с повышениемтемпературымежду соединяемымиматериаламиболее вероятнахимическаясвязь. Термокомпрессионнаясварка имеетследующиепреимущества:
соединениедеталей происходитбез расплавлениясвариваемыхматериалов;
удельное давление,прикладываемоек кристаллу,не приводитк механическимповреждениямполупроводниковогоматериала;
соединенияполучают беззагрязнений,так как неиспользуютприпои и флюсы.
К недостаткамследует отнестималую производительностьпроцесса.
Термокомпрессионнуюсварку можноосуществлятьпутем соединенийвнахлест ивстык. При сваркевнахлестэлектрическийпроволочныйвывод, какотмечалось,накладываютна контактнуюплощадку кристаллаполупроводникаи прижимаютк нему специальныминструментомдо возникновениядеформациивывода. Осьпроволочноговывода присварке располагаютпараллельноплоскостиконтактнойплощадки. Присварке встыкпроволочныйвывод привариваютторцом к контактнойплощадке. Осьпроволочноговывода в местеприсоединенияперпендикулярнаплоскостиконтактнойплощадки.
Сварка внахлестобеспечиваетпрочное соединениекристаллаполупроводникас проволочнымивыводами иззолота, алюминия,серебра и другихпластичныхметаллов, асварка встыктолькос выводами иззолота. Толщинапроволочныхвыводов можетсоставлять15-100 мкм.
Присоединятьвыводы можнокак к чистымкристалламполупроводника,так и к контактнымплощадкам,покрытым слоемнапылённогозолота илиалюминия. Прииспользованиичистых поверхностейкристаллаувеличиваетсяпереходноесопротивлениеконтакта иухудшаютсяэлектрическиепараметрыприборов.
Элементы, подлежащиетермокомпрессионнойсварке, проходятопределеннуютехнологическуюобработку.Поверхностькристаллаполупроводника,покрытую слоемзолота илиалюминия,обезжиривают.
Золотую проволокуотжигают при300600°С втечение 520мин в зависимостиот способасоединениядеталей. Алюминиевуюпроволокупротравливаютв насыщенномрастворе едкогонатра при 80°Св течение 12мин, промываютв дистиллированнойводе, и сушат.
Основнымипараметрамирежима термокомпрессионнойсварки являютсяудельное давление,температуранагрева и времясварки, Удельноедавление выбираютв зависимостиот допустимогонапряжениясжатия кристаллаполупроводникаи допустимойдеформацииматериалапривариваемоговывода. Времясварки выбираютэкспериментальнымпутем.
Относительнаядеформацияпри термокомпрессионнойсварке
,где dдиаметрпроволоки, мкм;bширинасоединения,мкм.
Давление наинструментопределяют,исходя израспределениянапряженийна стадии завершениядеформации:
,г
Рис. 2. Номограммадля выборарежимов термокомпрессионнойсварки:
азолотой проволокис плёнкой алюминия;балюминиевойпроволоки сплёнкой алюминия
На рис. 2 приведеныномограммырежимовтермокомпрессионнойсварки золотой(а) и алюминиевой(б) проволокис алюминиевымиконтактнымиплощадками.Эти номограммыдают возможностьоптимальноговыбора соотношениямежду давлением,температуройи временем.
Термокомпрессионнаясварка имеетдовольно многоразновидностей,которые можноклассифицироватьпо способунагрева, поспособу присоединения,по форме инструмента.По способунагрева различаюттермокомпрессионнуюсварку с раздельнымнагревом иглы,кристалла илипуансона, атакже с одновременнымнагревом двухиз этих элементов.По способуприсоединениятермокомпрессионнаясварка можетбыть встык ивнахлест. Поформе инструментаразличают«птичий клюв»,«клин», «капилляр»и «иглу» (рис.14.3).
При сваркеинструментом«птичий клюв»одно и то жеустройствоподает проволоку,присоединяетее к контактнымплощадкаминтегральнойсхемы и автоматическиобрывает, невыпуская ееиз «клюва».Инструментв виде «клина»прижимает конецпроволоки кподложке, приэтом вдавливаетсяне вся проволока,а только центральнаяее часть. Присварке с помощью«капиллярногоинструмента»проволокапроходит черезнего. Капиллярныйнаконечникодновременнослужит инструментом,передающимдавление напроволоку. Присварке «иглой»конец проволочноговывода подводятв зону сваркиспециальныммеханизмоми накладываютна контактнуюплощадку, азатем прижимаютее иглой сопределеннымусилием.
Р
ис.3. Типы инструментовдля проведениятермокомпрессионнойсварки:
а«птичий клюв»;б«клин»; в«капилляр»;г«игла»
Для осуществленияпроцессатермокомпрессионнойсварки используютсяразличныеустановки,основнымиузлами которыхявляются: рабочийстолик с нагревательнойколонкой илибез нее, механизмсоздания давленияна присоединяемыйвывод, рабочийинструмент,механизм подачии обрыва проволокидля выводов,механизм подачикристалловили деталейс присоединеннымк ним кристаллом;механизм совмещениясоединяемыхэлементов,оптическаясистема визуальногонаблюденияпроцесса сварки,блоки питанияи управления.Все перечисленныеузлы могутиметь различноеконструктивноеисполнение,однако принципих устройстваи характервыполняемойработы одинаков.
Так, рабочийстолик всехустановокслужит длязакреплениякристалла иликорпуса интегральнойсхемы в определенномположении.Обычно рабочийстолик термокомпрессионныхустановокявляется сменным,что позволяетзакреплятькристаллыразличныхразмеров игеометрическихформ. Нагревательнаяколонка служитдля нагревакристалловили корпусовдо требуемойтемпературыи позволяетрегулироватьее в пределах50500°С сточностьюрегулировки+5°С. Механизмсоздания давленияпредназначендля прижатиявывода к контактнойплощадке кристаллаи обеспечиваетрегулированиеусилия от 0,01 до5 Н с точностью±5%. Рабочийинструментявляется однимиз основныхузлов термокомпрессионнойустановки. Егоизготовляютиз твердыхсплавов типаВК-6М, ВК-15 (дляинструментов«птичий клюв»и «капилляр»)
или из синтетическогокорунда (для«клина» и «иглы»).Конструкциямеханизмаподачи и отрывапроволокизависит от типаустановкии формы рабочегоинструмента.Наиболее широкораспространеныдва способаотрыва; рычажныйи электромагнитный.Процесс отрывапроволочноговывода послеизготовлениятермокомпрессионногосоединенияна кристаллеинтегральнойсхемы без нарушенияего прочностиво многом зависитот конструктивныхособенностеймеханизма.Механизм подачикристалловили деталейк месту сваркипредставляетсобой обыкновенныезажимы илисложные кассеты,смонтированныена рабочемстолике установки.Наибольшаяпроизводительностьдостигаетсяпри использованиикассет с металлическойлентой, на которойкорпуса иликристаллыпредварительноориентируютсяв заданнойплоскости ив определенномположении.Механизм совмещенияобычно включаетв себя манипуляторы,которые позволяютперемещатькристалл доего совмещенияс соединяемымиэлементами.Обычно используютманипуляторыдвух видов:рычажные ипантографные.Оптическаясистема визуальногонаблюдениясостоит избинокулярногомикроскопаили увеличительногоэкрана-проектора.В зависимостиот размеровприсоединяемыхэлементоввыбирают увеличениеоптическойсистемы от 10до 100 крат.
Электроконтактнаясварка применяетсядля присоединенияметаллическихвыводов к контактнымплощадкамкристалловполупроводниковыхприборов иинтегральныхмикросхем.Физическаясущность процессаэлектроконтактнойсварки заключаетсяв нагреве соединяемыхэлементов влокальныхучастках приложенияэлектродов.Разогрев локальныхобластей соединяемыхэлементовпроисходитза счет возникающегов местах контактаматериала сэлектродамимаксимальногоэлектрическогосопротивленияпри прохождениичерез электродыэлектрическоготока. Основнымипараметрамипроцессаэлектроконтактнойсварки являютсязначениесварочноготока, скоростьнарастаниятока, времявоздействиятока на соединяемыеэлементы и силаприжатия электродовк соединяемымдеталям.
В настоящеевремя дляприсоединениявыводов к контактнымплощадкамкристалловинтегральныхсхем используютсядва способаэлектроконтактнойсварки: с одностороннимрасположениемдвух электродови с одностороннимрасположениемодного сдвоенногоэлектрода.Второй способотличаетсяот первого тем,что рабочиеэлектродывыполнены ввиде двух токонесущихэлементов,разделенныхмежду собойизоляционнойпрокладкой.В момент прижатиятакого электродак проволочномувыводу и пропусканиячерез образовавшуюсясистему электродноготока происходитвыделениебольшого количестватеплоты в местеконтакта. Внешнеедавление всочетании сразогревомдеталей дотемпературыпластичностиили расплавленияприводит кпрочному ихсоединению.
Технологическоеоборудованиедля присоединениявыводов методомэлектроконтакнойсварки включаетв себя следующиеосновные узлы:рабочий столик,механизм созданиядавления наэлектрод, механизмподачи и отрезкипроволоки,рабочий инструмент,механизм подачикристалловили корпусовс кристаллами,механизм совмещениясоединяемыхэлементов,оптическуюсистему визуальногонаблюденияпроцесса сварки,блоки питанияи управления.Рабочий столикслужит длярасположенияна нем кристалловили корпусовс кристаллами.Механизм созданиядавления наэлектрод позволяетприкладыватьусилия 0,10,5Н. Принцип действиямеханизмаподачи и отрезкипроволокиоснован надвижении проволокичерез капиллярноеотверстие иотрезании еерычажным ножом.Форма и материалрабочего инструментаоказываютбольшое влияниена качествои производительностьпроцессаэлектроконтактнойсварки. Обычнорабочая частьнаконечниковэлектродовимеет формуусеченнойпирамиды иизготовляетсяиз высокопрочногоматериала наоснове карбидавольфрама маркиВК-8. Механизмподачи кристалловвключает в себянабор кассет,а механизмсовмещениясистемуманипуляторов,которые позволяютрасполагатькристалл внужном положении.Оптическаявизуальнаясистема наблюдениясостоит измикроскопаили проектора.Блок питанияи управленияпозволяетзадавать рабочийрежим сваркии производитьего перестройкуи регулировкупри смене типакристалла иматериалавывода.
Ультразвуковаясварка, применяемаядля присоединениявыводов кконтактнымплощадкамполупроводниковыхприборов иинтегральныхсхем, имеетследующиепреимущества:отсутствиенагрева соединяемыхэлементов,малое времясварки, возможностьсварки разнородныхи трудносвариваемыхматериалов.Отсутствиенагрева позволяетполучать соединениябез плавлениясвариваемыхдеталей. Малоевремя сваркидает возможностьповыситьпроизводительностьпроцесса сборки.
Механизм образованиясоединениямежду выводоми контактнойплощадкой приультразвуковойсварке определяетсяпластическойдеформацией,удалениемзагрязнения,самодиффузиейи силамиповерхностногонатяжения.Процесс ультразвуковойсварки характеризуетсятремя основнымипараметрами:амплитудойи частотойультразвуковыхколебаний,значениемприложенногодавления ивременем проведенияпроцесса сварки.^Установки дляультразвуковойсварки состоятиз следующихосновных узлов:рабочегостолика, механизмасоздания давления,механизмаподачи Н отрезкипроволоки,ультразвуковогосварочногоустройстваи оптическойсистемы.
После того какполупроводниковыйкристалл ориентировани закрепленна основаниикорпуса и к егоконтактнымплощадкамприсоединенывыводы, егонеобходимозащитить отвлияния окружающейсреды, т. е. создатьвокруг негогерметичнуюи механическипрочную оболочку.Такая оболочкаможет бытьсоздана либоприсоединениемк основаниюкорпуса специальнойкрышки (баллона),которая накрываетполупроводниковыйкристалл иизолирует егоот внешнейсреды, либообволакиваниемоснованиякорпуса срасположеннымна нем полупроводниковымкристалломпластмассой,которая такжеотделяет кристаллот внешнейсреды.
Для герметичногосоединенияоснованиякорпуса с крышкойили баллоном(дискретныйвариант полупроводниковыхприборов) широкоиспользуютпайку, электроконтактнуюи холоднуюсварку, а длягерметизациикристалла надержателезаливку,обволакиваниеи опрессовкупластмассой.)
Пайка. Пайкуприменяют длягерметизациикак дискретныхприборов, таки ИМС. Наибольшеепрактическоеиспользованиеэтот процесснашел при сборкеи герметизациикорпусов диодови транзисторов.Элементы конструкциикорпусов включаютв себя отдельныеузлы и блоки,полученныена основаниипроцессовпайки: металлас металлом,металла с керамикойи металла состеклом. Рассмотримэти виды пайки.
Пайка металлас металломуже рассматриваласьв §2. Поэтомуздесь остановимсялишь на технологическихособенностях,которые связаныс получениемгерметичныхпаяных соединений.
Основнымиэлементамипаяного соединенияпри герметизацииинтегральныхсхем являютсяоснованиекорпуса и крышка.Процесс соединенияоснованиякорпуса с крышкойможет проводитьсялибо с использованиемпрослойкиприпоя, котораярасполагаетсямежду основаниемкорпуса и крышкойв виде кольца,либо без прослойкиприпоя. Во второмслучае краяоснованиякорпуса и крышкипредварительнооблуживаютприпоем.
При герметизациидиодов, транзисторови тиристоровв зависимостиот конструкциикорпуса могутиметь местонесколькопаяных соединений.Так, пайкойсоединяюткристаллодержательс баллоном игерметизируютверхние выводыкорпуса тиристора.
Кпроцессу пайкипри герметизациипредъявляюттребованияпо чистотеисходных деталей,которые предварительноподвергаютсяочистке, промывкеи сушке. Процесспайки проводятв вакууме,инертной иливосстановительнойсреде. Прииспользованиифлюсов пайкуможно проводитьна воздухе.Флюсы в значительнойстепени улучшаютсмачиваниеи растеканиеприпоя посоединяемымповерхностямдеталей, а этозалог образованиягерметичногопаяного шва.По выполняемойроли флюсыподразделяютна две группы;защитные иактивные. Защитныефлюсы предохраняютдетали от окисленияв процессепайки, а активныеспособствуютвосстановлениюоксидов, образовавшихсяв процессепайки. В качествезащитных флюсовнаиболее частоиспользуютрастворыканифоли. Активнымифлюсами служатхлористый цинки хлористыйаммоний. Дляпайки используютприпои ПОС-40 иПОС-60.
Пайка керамикис металлом.В полупроводниковойтехнике. каки в электровакуумной,широкое применениенаходят спаикерамики сметаллом, которыеобеспечиваютболее надежнуюгерметизацию.интегральныхсхем.
Припои, которыеиспользуютдля пайки металлас металлом, несмачиваютповерхностькерамическихдеталей и поэтомуне спаиваютсяс керамическимидеталями корпусовинтегральныхсхем.
Для полученияпаяных соединенийкерамики сметаллом еепредварительнометаллизируют.Металлизацияпроводитсяс помощью паст,которые наносятна керамическуюдеталь. Хорошеесцеплениеметаллизационногослоя с поверхностьюкерамики достигаетсявысокотемпературнымвжиганием. Привжигании пастрастворительулетучивается,а металлическиечастицы прочносоединяютсяс' поверхностьюкерамическойдетали. Толщинавоз-жженногослоя металласоставляетобычно несколькомикрометров.Нанесение ивжигание пастыможно повторятьпо несколькураз, при этомтолщина слояувеличиваетсяи качествометаллизационногослоя улучшается.Полученнуютаким образомметаллизированнуюкерамику можнопаять обычнымиприпоями.
Распространеннымспособом нанесенияметаллическихпокрытий надетали керамическихкорпусов являетсяспекание слояметаллизационнойпасты с керамикойпри высокойтемпературе.В качествеисходных материаловиспользуютсяпорошки молибдена,вольфрама,рения, тантала,железа, никеля,марганца, кобальта,хрома, серебраи меди с размерамизерен в несколькомикрометров.Для приготовленияпаст эти порошкиразводят всвязующихвеществах:ацетоне, амилацетате,метиловомспирте и др.
Пайка металлизированныхкерамическихдеталей сметаллическимипроводитсяобычным способом.
Пайка стеклас металлом.Стекло ни содним из чистыхметаллов неспаивается,так как чистаяповерхностьметаллов несмачиваетсяили плохо смачиваетсяжидким стеклом.
Однако еслиповерхностьметалла покрытаслоем оксида,то смачиваниеулучшается,оксид частичнорастворяетсяв стекле и послеохлажденияможет произойтигерметичноесоединение.Основнаятрудность приизготовленииспаев металл стеклосостоит в подборекомпонентовстекла и металлас достаточноблизкими значениямикоэффициентовтермическогорасширенияво всем диапазонеот температурыплавлениястекла до минимальнойрабочей температурыполупроводниковогоприбора. Даженебольшоеразличие вкоэффициентахтермическогорасширенияможет привестик образованиюмикротрещини разгерметизацииготового прибора.
Для осуществленияпайки стеклас металлом дляполучениягерметичныхспаев необходимо:подбиратькомпонентыс одинаковымикоэффициентамитермическогорасширения;применятьстеклянныйприпой в видесуспензии сметаллическимпорошком; постепеннопереходитьот металла косновномустеклу с помощьюпромежуточныхстекол; металлизироватьповерхностьстекла.
Для получениягерметичныхспаев стеклас металломиспользуюттри способанагрева исходныхдеталей: в пламенигазовой горелки,с помощью токоввысокой частоты,в муфельныхили силитовыхпечах. Во всехслучаях процесспроводят навоздухе, таккак наличиеоксидной пленкиспособствуетпроцессу пайки.
Электроконтактнаясварка. Этотпроцесс широкоиспользуетсядля герметизациикорпусовполупроводниковыхприборов иинтегральныхмикросхем. Онаоснована нарасплавленни определенныхчастей соединяемыхметаллическихдеталей за счетпрохождениячерез нихэлектрическоготока. Сущностьпроцессаэлектроконтактнойсварки состоитв том, что ксвариваемымдеталям подводятдва электрода,на которыеподают определенноенапряжение.Так как площадьэлектродовзначительноменьше, чемплощадь свариваемыхдеталей, то припрохождениичерез всю системуэлектрическоготока в местесоприкосновениясвариваемыхдеталей, 'находящихсяпод электродами,выделяетсябольшое количествотеплоты. Этопроисходитза счет большойплотности токав малом объемематериаласвариваемыхдеталей. Большиеплотности токаразогреваютконтактныеучастки дорасилавленияопределенныхзон исходныхматериалов.
При прекращениидействия токатемператураконтактныхучастковснижается, чтовлечет за собойостываниерасплавленнойзоны и ее рекристаллизацию.Полученнаятаким образомрекристаллизационнаязона герметичносоединяетоднородныеи разнородныеметаллическиедетали другс другом.
Форма сварногошва зависитот геометрическойконфигурациирабочих электродов.Если электродывыполнены видезаостренныхстержней, тосварка получаетсяточечной. Еслиэлектроды ввиде трубки,то сварочныйшов имеет формукольца. Припластинчатойформе электродовсварочный шовимеет вид полосы.
Большое значениедля качественнойгерметизациикорпусов приборовэлектросваркойимеет материал,из которогоизготовляютрабочие электроды.К материалуэлектродовпредъявляютповышенныетребованияпо тепло- иэлектропроводности,а также помеханическойпрочности. Дляудовлетворенияэтих требованийэлектродыделают комбинированными,выполненнымииз двух материалов,один из которыхобладает высокойтеплопроводностью,а другой механическойпрочностью.Широкое распространениеполучили электроды,основаниекоторых изготовленоиз меди, а сердечник(рабочая часть) из сплававольфрама смедью.
Наряду с комбинированнымииспользуютэлектроды,выполненныеиз однородногометалла илисплава. Так,для свариваниястальных деталейиспользуютэлектроды измеди (М1 и МЗ) ибронзы (0,40,8%хрома, 0,20,6%цинка, остальноемедь).Для сваркиматериаловс высокойэлектропроводностью(медь, сереброи т. п.) применяютэлектроды извольфрама имолибдена.
Электродыдолжны хорошоприлегать другк другу по рабочимсвариваемымповерхностям.Наличие дефектовна рабочихповерхностяхдеталей (риски,вмятины, раковиныи т. п.) приводитк неравномерномуразогревусвариваемыхучастков деталейи образованиюнегерметичногосварного швав готовом изделии.Особое вниманиеследует уделятькреплениюэлектродовв электродержателях,так как приплохом креплениимежду нимивозникает такназываемоепереходноесопротивление,которое приводитк разогревусамих электрододержателей.Электродыдолжны бытьстрого сооснымежду собой.Отсутствиесоосностиэлектродовприводит квозникновениюбрака при сварке.
Качество сваркив большой степенизависит отвыбранногоэлектрическогои временногорежима. Прималом значениисварочноготока выделяющаясятеплота оказываетсянедостаточнойдля нагревадеталей дотемпературыплавлениясвариваемыхметаллов, вэтом случаеполучаетсятак называемый«непровар»деталей. Прибольшом значениисварочноготока выделяетсяслишком большоеколичествотеплоты, котороеможет расплавитьне только местосварки, но ивсю деталь, чтосвязано с «пережогом»деталей и выплескомметалла.
Большое значениеимеет времяпрохождениясварочноготока черезэлектроды идетали. Кактолько включаетсясварочный ток,в месте контактаначинаетсяразогрев свариваемыхдеталей, причемточки плавлениядостигаюттолько поверхностныеслои металла.Если в этотмомент выключитьток, то получитсянепрочнаясварка. Чтобыполучить прочныйсварной шов,необходимовремя для образованиярасплавленногоядра по всейлокальнойплощадкесвариваемыхдеталей. Перегревядра расплавленногометалла приводитк его разрастаниюи выплескуметалла наружу.В результатеэтого могутобразовыватьсяраковины, которыерезко снижаютмеханическуюпрочность игерметичностьсварных швов.
Перед проведениемпроцессаэлектроконтактнойсварки вседетали корпусовинтегральныхсхем подвергаюттщательнойобработке(промывке,обезжириванию,травлению,зачистке и т.п.).
Качество сваркиконтролируютвнешним осмотроми с помощьюпоперечныхразрезов сваренныхизделий. Основноевнимание уделяетсямеханическойпрочности игерметичностисварных швов.
Холодная сварка.Метод герметизациихолодной сваркойшироко используетсяв электроннойпромышленности.В тех случаях,когда пригерметизацииисходных деталейкорпусов недопустимих нагрев итребуетсявысокая чистотапроцесса, применяютхолоднуюсваркусваркупод давлением.Кроме того,холодная сваркаобеспечиваетпрочное герметичноесоединениенаиболее частоиспользуемыхразнородныхметаллов (меди,никеля, ковараи стали).
К недостаткамданного методаследует отнестиналичие значительнойдеформациидеталей корпусовв месте соединения,что приводитк существенномуизменению формыи габаритныхразмеров готовыхизделий.
Изменениенаружногодиаметра корпусаприбора зависитот толщиныисходных свариваемыхдеталей. Изменениенаружногодиаметра готовогоприбора послепроведенияпроцесса холоднойсварки
,где
толщина буртикаверхней деталидо сварки; толщина буртиканижней деталидо сварки.Большое значениедля проведенияпроцесса холоднойсварки имеетналичие наповерхностисоединяемыхдеталей пленкиоксида. Еслиэта пленкапластичнаяи более мягкая,чем основнойметалл, то поддавлением онарастекаетсяво все стороныи утоньшается,разделяя темсамым чистыеметаллическиеповерхности,в результатечего сваркане происходит.Если оксиднаяпленка болеехрупкая итвердая, чемпокрываемыйею металл, топод давлениемона трескается,причем растрескиваниепроисходитодинаково наобеих соединяемыхдеталях. Загрязнения,имевшиеся наповерхностипленки, оказываютсяупакованнымис обеих сторонв своеобразныепакеты, прочнозажатые покраям. Дальнейшееувеличениедавленияприводит крастеканиючистого металлак периферийнымучасткам.Наибольшеерастеканиепроисходитв серединнойплоскостиобразовавшегосяшва, благодарячему все пакетыс загрязнениямивытесняютсянаружу, а чистыеповерхностиметалла, вступаяв межатомныевзаимодействия,прочно сцепляютсядруг с другом.
Таким образом,хрупкость итвердостьэтоосновные качестваоксидной пленки,обеспечивающиегерметичноесоединение.Так как у большинстваметаллов толщинапокрытия оксиднымипленками непревосходит107см, детали изтаких металловперед сваркойникелируютили хромируют.Пленки никеляи хрома обладаютдостаточнойтвердостьюи хрупкостьюи, следовательно,значительноулучшают сварноесоединение.
Перед проведениемпроцесса холоднойсварки вседетали обезжиривают,промывают исушат. Дляобразованиякачественногосоединениядвух металлическихдеталей необходимообеспечитьдостаточнуюдеформацию,пластичностьи чистоту свариваемыхдеталей.
Степень деформацииК при холоднойсварке должнанаходитьсяв пределах75—85%:
,где 2Нсуммарнаятолщина свариваемыхдеталей; tтолщинасварного шва.
Прочностьсварного соединения
,где Р усилие разрыва;D диаметр отпечаткавыступа пуансона;Н толщина однойиз свариваемыхдеталей с наименьшимразмером;
пределпрочности нарастяжениес наименьшимзначением.Для деталейкорпусов прихолодной сваркерекомендуютсяследующиесочетанияматериалов:медь МБмедьМБ, медь МБмедьМ1, медь МБ—сталь10, сплав Н29К18 (ковар)медьМБ, ковармедьМ1.
Критическиедавления, необходимыедля пластическойдеформациии холоднойсварки, напримердля сочетаниямедьмедь,составляют1,5*109 Н/м2, длясочетания медь коварони равны 2*109Н/м2.
Герметизацияпластмассой.Дорогостоящуюгерметизациюстеклянных,металлостеклянных,металлокерамическихи металлическихкорпусов внастоящее времяуспешно заменяютпластмассовойгерметизацией.}В ряде случаевэто повышаетнадежностьприборов и ИМС,так как устраняетсяконтакт полупроводниковогокристаллас газовой средой,находящейсявнутри корпуса.
Пластмассоваягерметизацияпозволяетнадежно изолироватькристалл отвнешних воздействийи обеспечиваетвысокую механическуюи электрическуюпрочностьконструкции.Для герметизацииИМС широкоиспользуютпластмассына основе эпоксидных,крем-нийорганическихи полиэфирныхсмол.
Основнымиметодами герметизацииявляются заливка,обволакиваниеи опрессовкапод давлением.При герметизациизаливкой используютполые формы,в которые помещаютполупроводниковыекристаллы сприпаяннымивнешними выводами.Внутрь формзаливаютпластмассу.
При герметизацииприборовобволакиваниемберут два (илиболее) вывода,изготовленныхиз ленточногоили проволочногоматериала,соединяют ихмежду собойстекляннойили пластмассовойбусой и на одиниз выводовнапаиваютполупроводниковыйкристалл, ак другому (другим)выводу присоединяютэлектрическиеконтактныепроводники.Полученнуютаким образомсборку герметизируютобволакиваниемпластмассой.
Наиболееперспективнымпутем решенияпроблемы сборкии герметизацииприборов являетсягерметизациякристалловс активнымиэлементамина металлическойленте с последующейгерметизациейпластмассой.Преимуществоэтого методагерметизациисостоит ввозможностимеханизациии автоматизациипроцессовсборки различныхтипов ИМС. Основнымэлементомконструкциипластмассовогокорпуса являетсяметаллическаялента. Для выборапрофиля металлическойленты необходимоисходить изразмеров кристаллов,тепловыххарактеристикприборов, возможностимонтажа готовыхприборов напечатную платуэлектроннойсхемы, максимальнойпрочности наотрыв от корпуса,простотыконструкции.
Технологическаясхема пластмассовойгерметизацииприбора включаетв себя основныеэтапы планарнойтехнологии.Присоединяютполупроводниковыекристаллы сактивнымиэлементамик металлическойленте, покрытойзолотом, эвтектическимсплавле-ниемзолота с кремниемили обычнойпайкой. Металлическуюленту изготовляютиз ковара, меди,молибдена,стали, никеля.
Приложения
Р
ис.3. Схема сборкивеерного типа
Р
ис.4. Схема сборкис базовой деталью
Р
ис.5. Схема сборки(а) и разрез ИС(б) в кругломкорпусе:
1балон;2соединительныепроводники;3кристалл;4контактныеплощадки; 5припой;6колпачёкножки; 7стекло;8выводы;9спайвыводов состеклом; 10соединениеэлектроконтактнойсваркой баллонаи ножки; 11металлизационныйслой (шина)
Рис.6. Схемасоединения(сборки) кристаллас шариковымивыводами иподложки пайкой:
1
Рис.7. Схемасоединения(сборки) кристаллас балочнымивыводами иподложки пайкой:
1золотойбалочный вывод;2силицидпластины; 3кристалл;4нитридкремния; 5платина;6титан;7подложка;8золотаяконтактнаяплощадка.
Рис.8. Схема линиисборки интегральныхсхем
На линиисборки используюттрансферныеленты. Сборкаи транспортировкаосуществляютсяна коваровойленте, которуюна участкахЛ и Б подвергаютфотолитографиидля получениявыводов 2 (рис.10, а). На участкахВ, Г и Д на базеленты с выводнымирамками изготавливаюткорпуса приборовс золоченымивыводами.Отрезки лентыс корпусамипоступают насборку. Лента2, сматываясьс катушки 1,подвергаетсяпромывке иобезжириваниюв ванне 3 инанесениюфоторезистав ванне 4, экспонированиюв установке5 с помощьюультрафиолетовойлампы 7. Рольмаски в установкевыполняетнепрерывнодвижущаясясинхронно слентой 2 лента6. Затем лентыпромывают вваннах 8 и 9.Выводы рамки2 (рис. 10, а) иперфорационныеотверстиявытравливаютв ванне 10. Слойфоторезистаудаляют в ванне11, и на выходеленту сушат.Полученныеперфорационныеотверстияиспользуютдля натяженияи перемещенияленты с помощьюзвездочки 12.В установке13 на коваровуюленту с выводамиприклеиваютс двух сторонтрансфернуюленту со слоемприпоечногостекла. Полученнаясистема обжигается,адгезивныйслой выгорает,а стекло спаиваетсяс металломосновной ленты(рис. 10, б). Охлаждениедо комнатнойтемпературыпроизводятв камере 14. Спомощью устройства15 на стеклянныеслои приклеиваютмаскирующиеленты с окнами,через которыев ванне 16 осуществляютвытравливаниеполостей дообнаружениявнутреннихвыводов (рис.10, е).
П
Рис. 9. Трансфернаялента:
1несущийслой; 2трансферныйслой; 3адгезивныйслой; 4антиадгезивнаябумага
Р
ис.10. Схема автоматизированнойсборки ИС наленте:
1лента-носитель;2выводы (послетравления); 3перфорациядля перемещенияленты; 4стекляннаялента-припой;5полостькорпуса ИС;6кристаллс готовымиструктурами;7 корпус; 8крышка;9нагревательныйинструмент