1. Методические указания по подготовке к работе

Содержание работы: уяснить поставленную задачу, ознакомиться с методом сварки элементов микросхем с помощью расщепленного электрода, разработать программу исследований и методику их проведения, обоснованно выбрать оптимальный режим сварки.

1.1. Основные сведения из теории

Одной из важных и сложных задач при изготовлении микросхем является выполнение внутренних соединений проволочных выводов с контактными площадками (КП) на плате и с выводами корпуса микросхемы [2,4,5]. Контактные площадки представляют собой тонкие (толщиной 0,3 - 1,0 мкм) металлические пленки на полупроводниковой или диэлектрической подложке. Непосредственное присоединение толстых выводов, с помощью которых микросхема монтируется на печатные платы, к КП затруднительно, поэтому используются промежуточные тонкие проводники (толщиной 20 - 50 мкм), которые легче удается соединить как с КП, так и с выводами корпуса.

Контактирование с пленками имеет свои особенности, связанные с малой толщиной пленки, малой ее прочностью, очень большим соотношением толщин пленка-проводник (оно достигает 1/20 и более). Кроме того, необходимо учитывать наличие изоляционной подложки, малые размеры контактных площадок, относительно слабое сцепление пленок с подложкой. Количество внутренних соединений "проводник-пленка" в современных гибридных микросхемах (микросборках) тоже значительно). Наличие таких соединений существенно снижает надежность микросхемы в целом. Результаты исследований указывают на преобладающее влияние в отказах микросхем именно контактных соединений. В этой связи очень большое значение в производстве микросхем имеет правильный выбор способа присоединения контактирующего проводника к контактной площадке и строгое обеспечение при этом оптимальных технологических режимов.

Методы получения микросоединений (МС) можно разбить на три группы: сварка, пайка и холодные методы соединений. Сварка является наиболее распространенным способом получения МС, особенно в условиях массового производства. При этом МС могут быть получены только за счет нагрева свариваемых элементов (сварка плавлением) либо за счет нагрева и давления, сжимающего свариваемые поверхности в твердом состоянии (сварка давлением). К сварке плавлением относятся: сварка электронным и лазерным лучами. Сварка электронным и лазерным лучами использует свойство этих лучей расплавлять металлы на очень малой поверхности. Бесконтактный подвод тепловой энергии, высокая механическая прочность и малое переходное сопротивление контакта являются самым главным достоинством этих видов микросварки. Основной недостаток – высокая температура (нагрев до температуры выше, чем температура плавления свариваемых металлов).

К сварке давлением относятся: термокомпрессионная и ультразвуковая сварка. При сварке давлением осуществляют нагрев в области контактирования (с целью увеличения пластичности металла) до температуры меньшей, чем температура плавления. При совместном действии температуры (300 – 350 ⁰С) и давления металлы в области контакта начинают течь, создавая условия для взаимной диффузии и образования МС. При термокомпрессионной сварке нагрев области соединения осуществляется нагревом подложки и сварочного электрода. При ультразвуковой сварке нагрев (200-300 ⁰С) происходит за счет трения контактирующих поверхностей при действии ультразвуковых колебаний.

Пайка – процесс соединения деталей с помощью припоя (ПОС-61, ПОСК-50, ПОССр-2 и т.д.), заполняющего зазор между ними. Место соединения при пайке нагревается до температуры несколько выше температуры плавления припоя. При этом припой смачивает соединяемые поверхности и диффундирует в них на небольшую глубину, а соединяемые поверхности частично растворяются в припое. Чтобы уменьшить растворение металла тонкой КП в припое в него добавляют порошок того металла, из которого сделана КП. В результате образуется прослойка, которая после остывания соединяет детали.

Пайку производят либо без флюса, либо с пассивными флюсами при температуре 220 – 260 ⁰С, используя паяльники специальной конструкции - микропаяльники с импульсным нагревом.

К холодным методам соединение относятся: получение МС с помощью напыляемых пленок, холодная пайка с помощью припоя, затвердевающего при комнатной температуре (представляющего собой растворы серебра или меди в ртути или галлии), склеивание контактирующих поверхностей специальными проводящими клеями (контактолами) и непроводящими клеями (электрический контакт образуется за счет касания выступов микронеровностей и тунллирования электронов через тонкую пленку клея). Холодные методы соединений в настоящее время не нашли широкого применения и применяются в тех случаях, когда недопустим нагрев места МС.

Наиболее широко в микроэлектронике применяется термокомпрессионная сварка, ультразвуковая сварка и сварка расщепленным электродом. Это обусловлено тем, что при этих видах сварки получается более легкий тепловой режим.

Электрические МС характеризуются тремя основными параметрами: механической прочностью, переходным сопротивлением контакта и размерами зоны контактирования. Дополнительной характеристикой МС является повторяемость указанных параметров при массовом получении сварных контактов. Механическая прочность измеряется усилием, прикладываемым к проводнику (в граммах), приводящим к его разрушению. Переходное сопротивление измеряется как полное сопротивление между контактирующими поверхностями. Механическая прочность и переходное сопротивление - в сильной степени зависимые параметры. Поскольку при более высокой механической прочности получается меньшее переходное сопротивление, иногда ограничиваются измерением только механической прочности, которое осуществляется более простыми средствами, чем измерение переходного сопротивления. Размеры зоны контактирования определяются площадью контактирования S, которая должна быть не более заданной S _доп. Повторяемость параметров сварных соединений служит показателем отлаженности и устойчивости технологического процесса сварки. Повторяемость может быть охарактеризована относительным среднеквадратическим отклонением параметра и рассчитана по формуле

, где , (4.1)

q_i - значение параметра для i-го микросоединения,

q₀ - средне арифметическое значение,

n -число взятых для анализа соединений (n = 7 – 10).

Микросварка методом расщепленного электрода, являющаяся разновидностью термокомпрессионной сварки, в настоящее время широко применяется в микроэлектронике для приварки проводников диаметром 20 - 100 мкм к контактным площадкам платы и выводам корпуса интегральной микросхемы. Сварочный инструмент сострит из двух электродов, изолированных друг от друга с помощью тонкой прокладки (обычно из слюды). Для осуществления сварки через электрод подается сварочный импульс. При этом может быть использован либо постоянный ток, либо ток переменной частоты. Процесс сварки происходит при протекании тока от одного электрода через проводник и контактную площадку ко второму электроду. Сопротивление, оказываемое току проводником, контактной площадкой и поверхностью раздела, приводит к быстрому повышению температуры в области контакта и обеспечивает сварку материалов. Качество получаемого сварного соединения определяют следующие параметры: площадь контакта, свойства свариваемых материалов, режимные параметры сварки.

Режимными параметрами сварки расщепленным электродом являются: величина нормального давления P сварочного электрода, длительность импульса T и сварочный ток I (на установке задается напряжение U). Для данных свариваемых материалов и конкретных технологических условий существует оптимальный (с точки зрения прочности сварного соединения) режим сварки, характеризующийся определенными значениями: P_опт, T _опт, U _опт .

При решении задачи определения оптимальных режимов технологических операций часто приходится иметь дело с моделями, для которых не имеется аналитических зависимостей минимизируемой функции Q(x) или для ее первых производных. Методы, использующие в процессе поиска только информацию о значениях функции Q(x), называются методами прямого поиска или методами минимизации без вычисления производных.

Наиболее простым из алгоритмов, принадлежащих к этому классу, является релаксационный метод Гаусса-Зейделя [6], поиск экстремума в котором сводится к поочередному изменению каждой независимой переменной P, T, U (рис.1).

Рис. 1

До проведения оптимизации задают координаты исходной точки x⁰ = (P⁰ ,T⁰ , U⁰), в которой осуществляется сварное соединение и определяется его прочность Q^o.

Изменяя давление P с шагом, равным разрешающей способности ΔP, определяют его значение P¹, при котором функция Q достигает максимума Q(P¹ ,T⁰ ,U⁰). Зафиксировав значение P¹, изменяют напряжение U и определяют его значение U¹, при котором прочность соединения достигает максимума Q(P¹ ,T⁰ ,U¹). Аналогично изменяют значение времени свирки T до получения максимум T¹ прочности соединения Q(x¹ )=Q(P¹ ,T¹ ,U¹ ).

Таким образом осуществляется первая итерация процесса оптимизации. Аналогично осуществляются (при необходимости) и последующие итерации поиска экстремума (максимума) функции прочности соединения Q(x²), Q(x³) и т.д.

Остановка процесса поиска осуществляется с помощью задания погрешности ε определения экстремума функции Q(x)_max. Поиск экстремума заканчивается при выполнении условия |Q(x^{r +1} ) – Q(x^r )| ≤ ε_Q. В данной лабораторной работе ε_Q =10%.

Графическая иллюстрация алгоритма поиска оптимального режима сварки приведена на рис. I.