Лабораторная работа № 8 Термокомпрессионная ультразвуковая микросварка выводов из золота

Цель работы: изучить технологию термокомпрессионной ультразвуковой микросварка выводов из золота на установке НВ-16.

Оборудование и материалы: установка термокомпрессионной ультразвуковой микросварка НВ-16, пинцет монтажный, лента золотая, проволока золотая диаметром (17-25), размером 20х100 мкм, кристалл НМС, установленный на подложку.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Микросварка (microwelding) – набор способов межсоединений с очень малой зоной сплавления или без расплавления так, чтобы сварной шов был соизмерим с микроскопическими размерами соединяемых деталей: выводов кристаллов микросхем с внешними выводами корпусов, выводов микросхем с контактными площадками на монтажных подложках. На рисунке 8.1 показан пример таких межсоединений, чтобы представить место микросварки в современной электронике.

Рисунок 8.1- Иллюстрация микроскопических размеров межсоединений кристаллов микросхем с подложкой

У современных изделий электроники размеры монтажных элементов настолько малы, что образование зоны плавления, какая наблюдается в конструкционной сварке, привело бы к их разрушению. Чтобы предотвратить разрушение монтажных элементов, микросварку проводят методами квазисплавления, когда соединение металлов проходит без образования большого литого ядра, преимущественно за счет процессов термодиффузии.

Второе принципиальное отличие монтажной микросварки от других методов соединений (в первую очередь от конструкционной) состоит в необходимости предотвращения нагрева электронных компонентов, особенно микросхем. Это тем более важно в связи с увеличением количества выводов микросхем и соответствующего уменьшения их размеров, так что зона нагрева при пайке и сварке находится в непосредственной близости к корпусу высоко-интегрированного компонента.

Третья особенность микросварки состоит в ее преимуществе перед пайкой: микросварка позволяет монтировать компоненты с очень малым зазором. Шаг выводов микросхем порядка 0,4 мм сегодня становится обычным, а завтра ожидается 0,3 мм. Зазор между такими выводами становится настолько малым (от 100 до 150 мкм), что при обычной пайке он может быть залит припоем, что приведет к КЗ. В микроэлектронике такие зазоры – обычное явление, этим обусловлено широкое использование в микроэлектронном производстве методов микросварки. Повсеместное распространение методов микросварки в производстве электроники затруднено из-за присущих ей серьезных недостатков, которые заставляют совершенствовать технологию пайки, а сварку применять в исключительных случаях.

Самый существенный недостаток микросварки состоит в затруднительности ремонта сварного соединения. Его можно только разрушить, в то время как демонтаж пайки выполняется повторным нагревом.

Все методы монтажной микросварки отличаются лишь способами генерации и введения тепловой энергии в зону соединения:

− при термокомпрессионной сварке тепло поступает от нагретого инструмента (кондуктивная теплопередача);

− при контактной сварке – от тока нагрузки непосредственно в свариваемых элементах;

− при ультразвуковой – от трения на границе соединяемых поверхностей;

− при газовой сварке – от пламени;

− при лучевой – от поглощения энергии светового луча.

Сварка в твердой фазе (сварка квазисплавлением) протекает в три стадии:

1 – физический контакт поверхностей;

2 – активация поверхностей за счет пластической деформации и нагрева;

3 – объемное взаимодействие.

На первой стадии (50 мс) вместе с образованием физического контакта начинается выделение тепла, при этом с поверхности частично удаляются (расползаются) окисные пленки. Свариваемые поверхности сближаются на расстояние атомного взаимодействия.

На второй стадии (100 мс) температура достигает максимума, увеличивается деформация, происходит активация всей поверхности соединения, точки схватывания развиваются в пятна сварки.

Третья стадия (250 мс) – уплотнение зоны соединения, образование прочных химических связей, заканчивается слияние отдельных пятен взаимодействия и релаксация напряжений упругопластической деформации сварного шва.

Различают следующие виды микросварки:

Лазерную микросварку использует для проводов в полиуретановой изоляции, коваровых и никелевых выводов радиоэлементов с контактными площадками, плат, проволочных выводов ИМС внахлестку, проволоки малых диаметров из золота, меди, алюминия с напыленными на керамику, стекло, ситалл металлическими слоями и т. п. Преимущества лазерного излучения:

• высокая локализация мощности в зоне нагрева (до 1000 МВт/м²);

• безынерционность воздействия, что позволяет вести нагрев импульсами малой длительности (от 1 до 10 мс) и очень точно дозировать энергию излучения;

• очень малая зона термического влияния (0,03-0,25 мм) при минимальном диаметре пятна нагрева 0,01 мм;

• не требуется вакуум, работа может выполняться в атмосфере любого состава;

• возможны соединения материалов с существенными различиями оптических, теплофизических и механических свойств;

• легкость автоматизации путем применения микропроцессоров и транспортных систем.

Источником лазерного излучения являются оптические квантовые генераторы (ОКГ), которые по агрегатному состоянию рабочего вещества подразделяются на газовые, жидкостные и твердотельные. В зависимости от способов возбуждения рабочего вещества ОКГ работают с оптической либо химической накачкой в непрерывном или импульсном режиме, а также в режиме синхронизации модуляции.

Лучевая микросварка

Лучевая микросварка основана на сильном локальном нагреве соединяемых материалов или сфокусированным лучом лазера (лазерная сварка), или пучком электронов (электроннолучевая сварка), или потоком ионов (плазменная сварка). При этих способах сварки плавлением желателен лишь теплофизический контакт между деталями в зоне сварки.

Сварка микропламенем

Эта микросварка основана на подаче в зону свариваемого шва остронаправленного пламени диаметром менее 0,5 мм, вызывающего расплавление соединяемых поверхностей. Наиболее удобно использовать пламя горения водорода в кислороде, температура которого 3400 °C. Стехиометрическое соотношение этих газов обеспечивают электролитическим разложением дистиллированной воды в газообразователе, входящем в состав установки для сварки. Для увеличения производительности газовыделения (разложения воды) в воду добавляют гидроокись калия.

Микросварка расщепленным электродом

Эта микросварка заключается в одностороннем подводе к зоне соединения сварочного тока от двух электродов, имеющих зазор порядка 100...300 мкм (рисунок 8.2). Для образования настоящего сварного ядра необходимо заставить поток тока протекать через нижний из свариваемых металлов. Это достигается расстановкой электродов на расстоянии в 3...5 раз больше толщины свариваемого пакета.

Точечная электродуговая сварка

Преимущество электродуговой сварки в противоположность сварке расщепленным электродом состоит в том, что переходное сопротивление между электродом и деталью не влияет на параметры сварки. Передача тепла при расплавлении нижней из соединяемых деталей происходит только за счет теплопередачи, поэтому вывод элемента и контактная площадка печатной платы должны находиться в хорошем термическом контакте, который обеспечивается специальным прижимом. Для свободно горящей дуги минимальный ток составляет около 1 А при напряжении от 450 до 550 В. Чистое время сварки составляет около 30 мс.

Микросварка расщепленным электродом

Эта микросварка заключается в одностороннем подводе к зоне соединения сварочного тока от двух электродов, имеющих зазор порядка 100...300 мкм. Для образования настоящего сварного ядра необходимо заставить поток тока протекать через нижний из свариваемых металлов. Это достигается расстановкой электродов на расстоянии в 3...5 раз больше толщины свариваемого пакета.

Термокомпрессионной сваркой (ТКС) называют микросварку давлением в твердой фазе элементов, нагреваемых от постороннего источника теплоты, с локальной пластической деформацией в зоне сварки. Различают термокомпрессионную микросварку с общим, импульсным, косвенным и комбинированным нагревом.

Основными параметрами режима термокомпрессии являются: усилие сжатия соединяемых элементов F, температура нагрева инструмента Т, длительность выдержки под давлением t.

Выбор усилия сжатия F определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника, которая для золотой проволоки составляет от 50 до 70 %, алюминиевой – от 60 до 80 %. Температура нагрева не должна превышать температуру образования эвтектики соединяемых материалов и находится в пределах от 250 до 450 С. Длительность выдержки выбирается в зависимости от сочетаний свариваемых материалов в диапазоне от 1 до 10 для достижения максимальной прочности соединения.

Термозвуковая сварка (ТЗС) находит все возрастающее применение при сборке изделий микроэлектроники. В ТЗС соединения формируются в результате совместного действия температуры, энергии ультразвуковых колебаний сварочного инструмента и усилия нагружения инструмента. Данный способ сварки как бы объединяет отдельные качества термокомпрессионной и УЗ-сварки, обеспечивает высокое качество соединения при существенном смягчении режимов сварки, прежде всего температуры. ТЗС используется в первую очередь при автоматизированной сборке приборов, критичных к температурам свыше 200-250 С. Применим этот способ сварки и для сборки толстопленочных ГИС. Качественные, устойчивые к повышенным температурам (150 С) и термоциклированию (100 циклов; от минус 55 до плюс 150 С) соединения золотой проволоки с медными печатными проводниками получаются ТЗС при температуре подложки от 105 до 200 С. Практически ТЗС начинают широко применять и для сборки ИМС и БИС массовых серий с целью смягчения режимов и снижения критичности сварочного процесса к колебаниям качества соединяемых материалов.

Последовательность операций соединения контактных площадок на кристалле микросхем с внешними выводами корпуса или монтажной подложки показана на (рисунок 8.2.)

Рисунок 8.2 - Схема процесса микросварки

1 – оплавление золотой проволочки с образованием шарика;

2 – присоединение проволочки к контактной площадке кристалла;

3 – подъем капиллярного электрода;

4 – присоединение проволочки к внешнему выводу корпуса;

5 – подъем электрода и оплавление проволочки.

Сварка термокомпрессией (рисунок 8.3) наиболее распространена в микроэлектронике для соединения выводов кристалла с выводами корпуса микросхемы. В этом случае для присоединения к кристаллу используется шариковый вывод (рисунок 8.4 а), а присоединение проволочки к торцу выводу осуществляется внахлест или так называемым методом термокомпрессии клином (рисунок 8.4 б). Для того чтобы микросварное соединение оставалось устойчивым после снятия внешней силы, необходимы мягкие пластичные материалы, так как у упругих материалов возникают разрушения под действием внутренних напряжений. Поэтому для контактирования с контактными площадками кристалла применяют тонкую золотую проволочку диаметром порядка 25 мкм или алюминиевую.

Р исунок 8.3 - Схема термокомпрессионной сварки с наложением ультразвуковых колебаний.

Р исунок 8.4 - Соединения, выполненные с помощью технологии микросварки: а – клином; б – шариком.