Сварка и свариваемые материалы. Том 2. Технология и оборудование
.pdf10.3.4. Газостаты
Современные газостаты (рис. 10.8) могут с успехом применяться для диффу зионной сварки, особенно деталей сложной формы из однородных и разнород ных материалов, когда обеспечить равномерное давление материалов по со прягаемым поверхностям трудно или невозможно. В большинстве случаев пе ред сваркой детали укладывают в тонкостенные технологические оболочки (конверты) и герметизируют сваркой.
После этого сборку помещают в рабочую камеру газостата и проводят высокотемпе ратурную обработку в течение нескольких часов давлением газа >100 МПа (рис. 10.9). Метод горячей изостатической обра ботки оказался эффективным также для улучшения свойств соединений, выполнен ных диффузионной сваркой. В частности, его можно использовать для залечивания дефектов в виде пустот, что способствует существенному повышению пластичности сварного соединения.
За рубежом газостаты, пригодные для использования при диффузионной сварке, выпускаются фирмами ASEA (Швеция), Conway Pressure Systems Inc. и Autoclave
Рис. 10.8. Схема высокотемпературного газо
стата, используемого |
для диффузионной сварки: |
||||
/ —верхняя пробка; |
2 — станина; |
3 — контейнер; |
|||
4 —термоизоляционный |
колпак; 5 — нагреватель; |
||||
6 —свариваемая |
деталь; |
7 — термонзолятор; |
8 — |
||
нижняя пробка; |
9 — трубопровод |
подачи |
рабо |
||
чего газа |
|
|
|
|
|
Engineers (США), ABRA AG (Швейцария), Kobe Steel (Япония), National Forge Europe (Бельгия). В СНГ подобное оборудование разработано ВНИИметмашем и выпускается Коломенским СПО (табл. 10.2).
|
|
|
|
|
|
Т А Б Л И Ц А 10.2 |
||
ОСНОВНЫЕ |
ХАРАКТЕРИСТИКИ |
ГАЗОСТАТОВ |
КОНСТРУКЦИИ |
|
||||
|
ВНИИметмаша - КОЛОМЕНСКОГО СПО [б] |
|
|
|||||
Тип |
Размер |
я* |
г*2 |
Размеры газостата, |
мм |
|||
заготовки, мм |
|
|
|
|
||||
газостата |
|
|
шах» |
шах* |
|
|
|
|
|
диаметр |
высота |
МПа |
°С |
высота*3 |
длина |
ширина |
|
|
|
|
||||||
40X100 |
40 |
100 |
N2 - 200 |
2000 |
1 600 |
(1 600) |
2000 |
1600 |
450 |
50 |
250 |
Аг— 100 |
1500 |
2 260 |
(2 260) |
3750 |
1110 |
ГТС-2000 |
100 |
250 |
N2 — 200 |
2000 |
2 800 |
(2 800) |
2500 |
1500 |
320Х 550 |
320 |
550 |
Аг — 220 |
1220 |
5 485 |
(4 665) |
5520 |
1650 |
ЯО6013 |
340 |
550 |
Аг — 200 |
1500 |
5 790 |
(4 980) |
5520 |
1420 |
ЯО 6015 |
320 |
1000 |
Аг — 200 |
1250 |
6 340 |
(5 530) |
5520 |
1420 |
ЯО 6022 |
1100 |
2000 |
Аг — 200 |
1200 |
12 950 |
(10 750) |
8100 |
5000 |
•* Рт ах |
максимальное давление рабочей среды. ** Гт а х — максимальная тем |
|
пература в рабочем пространстве. |
Общая высота газостата (высота под уровнем пола). |
Рис. 10.9. Схема диффузионной сварки с использованием горячего иэоста-
тического |
прессования: |
|
|
1 — сборка |
в контейнере; |
2 — герметизация |
контейнера; 3 •—высокотемпера |
турная обработка в газостате; 4 — сваренный |
узел |
||
10.4. Промышленное |
применение |
|
10.4.1. Приборостроение
Характерной особенностью конструкций современных приборов и узлов электронной техники является применение прецизион
ных |
элементов, изготовленных из разнородных материалов, |
в том |
числе неметаллических (стекло, керамика и др.). Техно |
логические возможности диффузионной сварки позволяют ши роко использовать этот процесс в промышленности (7, 8] при создании металлокерамических узлов, катодных узлов, вакуумплотных соединений из разнородных материалов, полупровод никовых систем и др. Большинство известных в настоящее время разработок в области технологии и оборудования для диффузионной сварки сделано именно в приборостроении.
В Таллиннском электротехническом институте НПО «Элект ротехника» создана технология производства выпрямительных
элементов |
силовых |
полупроводниковых приборов и разрабо |
||
таны конвейерные |
системы |
для диффузионной |
сварки УДС-5 |
|
и УДС-б, |
обеспечивающие |
высокую степень |
автоматизации |
сварки в условиях непрерывной круглосуточной работы комп лекса.
10.4.2. Крупногабаритные заготовки и полуфабрикаты
Диффузионная сварка находит применение для изготовления крупногабаритных заготовок деталей сложной формы, получе ние которых механической обработкой, методами обработки давлением или литьем невозможно или неэкономично. При этом путем соединения простых по форме элементов, изготов ленных из стандартных полуфабрикатов, можно существенно повысить коэффициент использования металла (КИМ), а в ряде случаев получить сложные заготовки из разнородных материа лов, которые практически невозможно изготовить другими ме тодами сварки. Особенно эффективно такое применение диф фузионной сварки в опытном и мелкосерийном производстве.
Рис. 10.10. Схема диффузионной сварки |
крупногабаритной |
заготовки ребристой па |
||||
нели (4J: |
|
|
|
3 — детали оснастки; |
4 — сборка |
|
/ — внешний |
вид панели; |
2 — составные |
элементы; |
|||
в контейнере; |
5 — сварка с |
использованием открытого |
пресса; |
6 — сваренная |
заготовка |
При этом чаще всего используются открытые прессы в сочета нии с герметизированными контейнерами (рис. 10.10).
С помощью диффузионной сварки получают крупногабарит ные толстые многослойные заготовки, из которых затем изго тавливают прокаткой слоистые композиционные листы.
10.4.3. Совмещение сварки с формообразованием
Многослойные тонкостенные конструкции типа панелей из ти тановых или алюминиевых сплавов с наполнителем сложной формы (гофры, соты, ребра и др.) получают методом совме щения диффузионной сварки и формообразования в режиме сверхпластичности.
Листовые заготовки сложной панели предварительно сва ривают в необходимых местах в плоском пакете. С этой целью на поверхность листов перед сборкой пакета наносят барьер ное покрытие. Собранный пакет герметизируют по контуру, вакуумируют и осуществляют диффузионную сварку, а затем во внутреннюю полость подается газ или жидкость, заготовка раздувается и принимает форму внутренней поверхности мат рицы (рис. 10.11).
Рис. 10.11. Схема получения многослойной панели методом совмещения диффузионной сварки с формообразованием (SPD/DB-процесс) 19]:
1 — подготовка к сварке; 2 — сварка пакета; 3 — формование панели; .4 — окончатель ная форма детали
10.5. Контроль качества
Основными типами дефектов сварного соединения являются: непровар, т. е. отсутствие соединения в отдельных участках контакта (дефекты 1-го типа), мелкие сферические поры, рас положенные в теле общих зерен, которые образовались в зоне контактирования (дефекты 2-го типа), и плоскоориентирован
ная межфазная граница.
Особенностью дефектов является то, что они располагаются вдоль бывшей поверхности контактирования, а величина рас крытия непроваров и размеры пор, как правило, невелики. Это затрудняет применение традиционных неразрушающих методов для их выявления. Наиболее перспективными методами нераз рушающего контроля являются ультразвуковые методы, а также метод акустической эмиссии.
Гл а в а 11. ТЕРМ ОКОМПРЕССИОННАЯ СВАРКА
11.1.Общие сведения
Появление новой отрасли промышленности — микроэлектроники потребовало разработки новых способов сварки — термокомпрессии и сварки косвенным импульсным нагревом (СКИН). Они являются основными методами для при соединения тонких проводников (выводов) к напыленным на полупроводнико вую или керамическую пластинку (подложку) пленкам в полупроводниковых приборах, гибридных и интегральных микросхемах. В данной главе рассмот рены терминология, основные схемы, физические основы процесса, технология, оборудование, промышленное применение и контроль качества. Ряд вопро сов освещен кратко. В этих случаях рекомендуются работы [1—15].
11.1-1. Определения, терминология и основные схемы
Термокомпрессия — это способ соединения металлов с металлами и неметал лами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давле ниях [1—3, 5, 6—8]. По терминологии, которая принята в области сварки (ГОСТ 2601—84), более правильно термокомпрессию называть микросваркой давлением с подогревом соединяемых деталей.
Термокомпресснонная сварка является наиболее широко применяемым
способом монтажа полупроводниковых микроприборов и |
интегральных схем |
|
в разнообразных корпусах с проволочными |
проводниками |
(выводами). Один |
из соединяемых элементов (обычно вывод) |
при термокомпрессии должен об |
ладать достаточно высокой пластичностью. Температура при термокомпрессии не превышает температуры образования эвтектики соединяемых материалов и обычно равна температуре отпуска или отжига более пластичного металла.
Разновидностью способа сварки давлением с подогревом является сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН) [1—3, 5]. В способе СКИН в отличие от термокомпрессии инструмент (пуансон) импульсно нагре вается проходящим по нему током. Из-за кратковременности процесса на грева металлический проводник в месте контакта может нагреваться до более высоких температур, чем при термокомпрессии. Это дает возможность прива р и в а т ь проводники из относительно малопластичных металлов к тонким плен кам на керамических подложках.
Разновидности термокомпрессионной сварки могут быть классифициро ваны по трем основным признакам: по способу нагрева, по способу выполне ния соединения и по типу образующегося соединения, обусловленного формой применяемого инструмента [1—3, 6—8].
Подвод тепла в зону сварки осуществляют тремя способами: нагрев только рабочего столика, нагрев рабочего инструмента, одновременный нагрев рабочего столика и инструмента (рис. 11.1).
Применяют следующие способы выполнения соединений при термокомпрес
сионной сварке: внахлестку и встык (рис. 11.2). |
При сварке внахлестку |
(рис. 11.2, а) проволочный вывод накладывают на |
металлизированную кон |
тактную площадку. Ось вывода располагают параллельно плоскости контакт ной площадки, а вывод подают под инструмент сбоку через специальную
дюзу |
или непосредственно через |
рабочий |
инструмент. |
При сварке встык |
(рис- |
11.2,6) конец проволочного |
вывода |
(ось вывода |
перпендикулярна пло |
скости контактной площадки) предварительно оплавляют. Диаметр образую-
РНс. 11.1. Разновидности термокомпрессии в зависимости от способа нагрева:
0 нагрев тоЛько рабочего столика; б — нагрев рабочего инструмента; в — одновременный нагрев рабочего столика и инструмента; 1 — рабочий инстру мент (пуансон); 2.— присоединяемый проводник; 3 — подложка или кристалл по лупроводникового прибора; 4 — рабочий столик; 5 — спираль для нагрева
Рис. 11.2. Виды термокомпрессионной сварки по способу выполнения соеди нения: а — нахлесточное; б — стыковое с образованием шарика
Рнс. 11.3. Основные типы термоком прессионных соединений в зависимо сти от формы применяемого инстру мента:
а — соединение в |
виде |
плоской свар |
|
|
|||
ной точки |
(термокомпрессия клином); |
7777. |
|
||||
б — в виде |
шляпки |
гвоздя (термоком- |
|
||||
прессия |
капилляром |
с |
образованием |
|
инструментом |
||
шарика); |
|
о — с |
ребром |
жесткости (термокомпрессня |
|||
г — типа |
«рыбнй |
глаз» |
(термокомпрессия |
инструментом |
с выступом) |
О
канавкой);
щегося шарика равен удвоенному диаметру привариваемого вывода. Проч ность сварных соединений, выполненных встык, значительно выше прочности соединений внахлестку и равна при оптимальных параметрах режима про цесса сварки прочности привариваемого вывода. При соединении встык ис пользуют рабочий инструмент в виде капилляра с центральным отверстием. На конце привариваемого вывода образуют шарик из золота, серебра, пла тины — нагревом кислородно-водородным пламенем, а из алюминия — им пульсным разрядом конденсаторов [8].
Конфигурация нахлесточного соединения зависит от формы торца рабо чего инструмента (рис. 11.3). Применяют следующие типы рабочего инстру мента; иглу-пуансон (рнс. 11.4, а) с подачей проволочного вывода под инстру-
Рис. |
11.4. |
Виды |
инструмента |
для термокомпресснонной сварки внахлестку: |
|
||
я — игла-пуансон |
с подачей проволоки |
под инструмент сбоку через специальную ДК>эуг |
|||||
о — разрезной капилляр |
типа |
сптичнй |
клюв»; в — капилляр с центральным |
отверстием |
|||
для |
подачи |
проволоки; |
г — наконечник |
инструмента (капилляра) с боковым |
отверстьем |
||
для |
подачи |
проволоки |
|
|
|
|
/ — рабочий столик; 2 — подложка или полупроводниковый |
кристалл; |
|||||||
3 — проводник; |
4 — V-образный |
инструмент (пуансон); |
5 — головка |
|||||
для |
крепления |
инструмента и |
создания усилия |
сжатия; |
|
6 — источ |
||
ник питания; 7 |
— реле времени |
|
|
|
|
|||
мент сбоку через специальную дюзу; разрезной капилляр |
«птичий клюв» |
|||||||
(рис. 11.4,6); капилляр |
с |
центральным отверстием |
(рис. |
11.4,в); капилляр |
||||
с боковым |
отверстием |
для |
подачи |
проволочного вывода |
(рис. 11.4, г). При |
этом форма торца рабочего инструмента может быть плоской, с поперечной, продольной или крестообразной канавкой и с выступом. Широкое применение нашли капилляры с центральным отверстием и с боковой подачей. В тех слу чаях, когда недопустим общий нагрев свариваемых деталей, применяется ми кросварка давлением с косвенным импульсным нагревом V-образным инстру ментом, имеющим в нижней рабочей части перемычку уменьшенного сече ния [1—3] (рис. 11.5).
11.1.2. Технологические возможности
Размеры свариваемых изделий
Методом термокомпрессии и СКИН присоединяются золотые, алюминиевые и медные проводники 010—150 мкм к разнооб разным пленкам, напыленным на диэлектрические или полу проводниковые подложки [1, 2, 3, 5].
Выполнение неразъемных соединений в полупроводниковых приборах имеет ряд специфических особенностей: большая разница толщин соединяемых изделий — металлические провод ники толщиной (или диаметром) 10—150 мкм должны прива риваться к тонким пленкам (0,5—5 мкм), нанесенным на диэ лектрические, полупроводниковые или металлические под ложки [8].
Свариваемость однородных и разнородных материалов
Все соединяемые материалы при термокомпрессионной сварке и СКИН по свариваемости можно разделить на три группы [1, 6]:
|
|
|
|
|
|
|
ТАБЛИЦА ЛА |
|
СВАРИВАЕМОСТЬ |
МАТЕРИАЛОВ |
ТЕРМОКОМПРЕССИЕЙ И СКИН |
||||||
|
|
|
|
Способы микросварки и материал выводов |
||||
Материал контактной |
|
сварка косвенным |
термокомпрессионная |
|||||
|
площадки |
|
импульсным нагревом |
(нагретым пуансоном) |
||||
(подложка — ситалл) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Au |
А1 |
Си |
Au |
А1 |
Си |
Au (подслой нихрома) |
|
+ + |
+ + |
+ |
+ + |
+ |
_ |
|
Си или Ni (подслой ни |
|
+ + |
+ |
+ |
+ + |
+ |
— |
|
хрома) |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
А1 |
|
|
+ |
+ |
|
+ |
|
|
П р и м е ч а н и е : + |
+ |
— свариваются |
хорошо; |
-f- — свариваются |
удовлетвори |
|||
тельно; |
------ не свариваются. |
|
|
|
|
|
|
1.Металлы с хорошей взаимной диффузией в твердом со стоянии, образующие ряд твердых растворов (Ag—Au, Au— Си); они обладают наилучшей свариваемостью при соедине нии термокомпрессией и СКИН.
2.Материалы, образующие между собой низкотемператур
ные эвтектики (А1—Si, Au—Si); они обладают удовлетвори тельной свариваемостью.
3. Металлы, взаимная диффузия которых приводит к обра зованию интерметаллических соединений и эвтектик (Au—А1, Au—Sn); они обладают хорошей свариваемостью, но при их соединении требуется более тщательное соблюдение рекомендо ванных параметров режимов сварки.
Характеристики свариваемости некоторых сочетаний мате риалов при термокомпрессии и СКИН приведены в табл. 11.1 [1, 3].
11.2. Технология
11.2.1. Требования к конструкции соединений
При термокомпрессионной сварке и СКИН применяются сое динения внахлестку и встык. К нахлесточным соединениям предъ являются следующие требования [1, 6, 7]: конфигурация соеди нения должна зависеть от формы наконечника инструмента; размер торца иглы должен быть не меньше двух диаметров вывода, чтобы избежать неравномерной деформации его при сварке; длина деформированного участка проволоки должна быть не менее двух ее диаметров; при сварке краем капилляр ного инструмента диаметр его торца должен быть не менее 4,5—5,5 диаметра проволоки, при этом ширина кольца капил лярного наконечника равна 1,5—2 диаметрам проволоки, а диа метр отверстия капилляра составляет 1,5 диаметра проволоки.
К стыковым соединениям предъявляются следующие требо вания [6, 7]: диаметр оплавленного конца вывода (шарика) должен составлять два диаметра проволоки; относительная де формация оплавленного шарика не должна превышать 75 %; диаметр соединения должен определяться размерами контакт ной площадки прибора; минимальный размер контактной пло щадки на приборе должен быть больше диаметра соединения на величину точности его постановки.
1 1 .2 .2 . Подготовка поверхностей
Качество сварных соединений при термокомпрессии и СКИН в значительной степени определяется состоянием поверхности свариваемых элементов. Это особенно заметно при соединении проводников с тонкими напыленными пленками. Наиболее ка чественные соединения методом термокомпрессии и СКИН можно получить при сварке проводников с металлическими пленками непосредственно после их напыления на полупровод никовые пластины [6].
Известны четыре основных вида возможных загрязнений свариваемых материалов [5]:
1.Химически не связанные с поверхностью механические загрязнения (пыль и различные мелкие частицы).
2.Химически связанные с поверхностью загрязнения (оксид ные; нитридные и другие пленки), образующиеся при химиче ской и термической обработке свариваемых элементов, при хранении.
3.Загрязнения в виде органических соединений (жировые пятна, остатки фоторезиста и воска).
4.Ионные загрязнения (от предварительной химической об работки в щелочах, кислотах или солях, остатки флюса).
При производстве микроэлектронных приборов применяют четыре основных метода удаления загрязнений с поверхности
(5): |
(например, NaCl |
хорошо |
растворяется |
||
— растворение |
|||||
в воде); |
|
|
жировой пленки |
||
— эмульгирование (например, удаление |
|||||
с поверхности щелочью с образованием эмульсии); |
|
||||
■— химические воздействия, которые превращают загрязне |
|||||
ния в растворимые продукты, которые |
затем |
могут быть |
уда |
||
лены промывкой |
(например, удаление |
оксидов |
металлов |
кис |
лотной или щелочной обработкой).
5. Механическое воздействие с целью удаления частиц за грязнений потоком жидкости или газа (например, удаление пылинок струей жидкости или в ванне с жидкостью при воз действии ультразвуковых колебаний).
Наиболее эффективными методами очистки являются уль тразвуковая, паровая и очистка пульсирующим распылением [5]. Очистка полупроводниковых кристаллов и элементов сбо рок выполняется в герметичной камере специальной установки. Обычно конструкция камеры обеспечивает проведение объем ной обработки горячим или холодным растворителем, паровой
ипульверизационной очистки.
11.2.3.Применение покрытий (металлизация)
Подложки являются конструктивной основой гибридных инте гральных микросхем. Они оказывают существенное влияние на параметры тонких пленок и на надежность всей схемы. Основ ными материалами, которые используются для подложек, яв ляются стекло, ситалл и керамика.
В основе методов нанесения тонких пленок (золотых или алюминиевых) на подложки, в том числе и на поверхность кремния и германия, лежит термическое испарение веществ в вакууме, катодное распыление, распыление ионной бомбар дировкой, химическое осаждение из газовой фазы. При изго товлении полупроводниковых приборов и интегральных микро схем особенно широко используют нанесение пленок методом катодного распыления.
1 1 .2 .4 . Выбор параметров режима
Основными параметрами режима при термокомпрессии и СКИН являются усилие сжатия (давление р), температура на грева соединяемых материалов или инструмента Т и длитель ность выдержки t под давлением (1—3, 5—91. Выбор усилия сжатия (давления) определяется допустимой деформацией при соединяемого вывода (обычно 30—60 %) и допустимым меха ническим воздействием на полупроводниковый прибор [1—3,
5—9]. |
Величину |
усилия |
сжатия выбирают в |
зависимости |
от |
|||
|
|
|
|
|
|
Т А Б Л И Ц А |
и . г |
|
|
ОПТИМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ СКИН ДЛЯ НЕКОТОРЫХ |
|
|
|||||
|
СОЧЕТАНИИ СВАРИВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ [1—3 J |
|
|
|||||
|
Сочетание материалов |
|
Параметры процесса |
|
|
|||
|
проводник |
пленка |
Т . °С |
р-107, Н/м* |
'я- с |
е, |
% |
|
|
на снталле |
к* ч |
|
|
|
|||
All, 0 |
(24-80) мкм |
Au, |
А1, |
300-550 |
8 -1 4 |
0,1-0,5 |
50-60 |
|
А1, 0 |
(30—100) мкм |
Си, |
Ni |
350—550 |
3—8 |
0,1-0,5 |
60—70 |
|
Au, А1 |
||||||||
Си, 0 |
(30—80) мкм |
Аи, Си, Ni |
400—650 |
15—20 |
0,1—1,0 |
55—65 |