Глава 12. Микромонтаж изделий интегральной

ЭЛЕКТРОНИКИ 416

1. Проволочный микромонтаж изделий интегральной электроники 416

2. Процессы термокомпрессионной микросварки .... 418

3. Ультразвуковая и термозвуковая микросварка .... 420

4. Автоматическое оборудование и инструмент 427

5. Монтаж жесткими объемными выводами 437

6. Монтаж кристаллов на плате 446

Глава 13. Герметизация изделий электроники

И КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ .. 448

1. Герметизация корпусов сваркой ......448

2. Герметизация корпусов пайкой 463

13.3. Герметизация пластмассами 467

4. Бескорпусная герметизация 476

5. Контроль герметичности изделий 477

6. Основные причины снижения влагоустойчивости приборов 481

Глава 14. Обеспечение качества и надежности изделий полупроводниковых приборов 488

1. Качество и надежность приборов электронной техники... 488

2. Конструктивно-технологические особенности изделий интегральной электроники, влияющие

на их надежность 493

14.3. Статистические методы управление качеством

; в производстве интегральных микросхем 507

14.3.1. Анализ технологических процессов

с использованием качественных диаграмм 511

14.3.2. Статистическое регулирование технологических процессов 519

14.4. Система контроля технологического процесса 526

1. Контроль качества изделий в процессе производства 526

2. Контроль технологического процесса ..................528

Литература 532

ВВЕДЕНИЕ

В 1948 г. весь потенциал твердотельной электроники состо­ял из одного экспериментального образца транзистора, прин­цип функционирования которого не был полностью понятен даже его создателям. Через 10 лет твердотельные приборы на­чали широко использоваться вместо вакуумных ламп в радио­технике и вычислительной технике, и через некоторое время явились основой создания объекта нового, поколения, состоя­щего из организованного расположения диодов, транзисторов и пассивных электрокомпонентов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей) на одном кристалле, который получил назва­ние интегральная микросхема, или на одной подложке при производстве гибридных микросхем. Способ создания этих но­вых твердотельных устройств получил название «микроэлект­роника».

Современный кристалл интегральной микросхемы разме­ром в несколько квадратных сантиметров и массой в несколь­ко миллиграммов обладает значительно большей вычислитель­ной производительностью, чем первые электронно-вычислитель­ные машины (ЭВМ) на вакуумных электронных лампах с мас­сой в десятки тонн.

Микроэлектроника создает малогабаритные твердотельные приборы, способ организации электронных процессов в, кото­рых позволяет за очень короткие промежутки времени обраба­тывать в малы объемах твердого тела большие объемы инфор­мации. Идеальной задачей микроэлектроники является созда­ние твердотельных приборов, сочетающих совершенство орга­низации мозга человека с быстродействием изделий интеграль­ной электроники.

Современная технология производства изделий, интеграль­ной электроники основана на двух основополагающих прин­ципах: последовательном формировании тонких слоев или пле­нок при определенных режимах и создании топологических рисунков с помощью процессов литографии.

Основная тенденция развития и совершенствования изде­лий интегральной электроники, устойчиво сохраняющаяся уже почти 60 лет, — постоянное увеличение в несколько раз из года в год степени интеграции. Перспективность этой тенденции обус­ловлена тем, что при отлаженном производстве стоимость из­делий практически не зависит от их сложности и определяется в основном производительностью оборудования. Повышение степени интеграции реализуется как за счет уменьшения раз­меров элементов и компонентов, так и за счет увеличения раз­мера кристалла микросхемы. Оба эти способа успешно реализу­ются на практике.

Кремний на протяжении 60 лет был основным материа­лом, раскрывшим потенциал твердотельной интегральной элек­троники. Он и в настоящее время остается практически един­ственным материалом, являющимся основой планарной тех­нологии, несмотря на многообразие созданных новых материа­лов с полупроводниковыми свойствами.

Среди полупроводников у кремния есть единственный серь­езный соперник - арсенид галлия. Обладая более высокой под­вижностью носителей, GaAs позволяет достичь в 5 раз более высоких пределов быстродействия. Арсенид галлия открывает путь к эффективной внутрисхемной изоляции, и как след-

ствие — к более низкой мощности рассеяния, чем у кремния. Кремний не позволяет реализовать излучающие диоды с высо-

кой эффективностью излучения, но беспечивает фотоприем­ными системами весь видимый и близкий ИК-диапазоны.

Наконец, существует еще два сильных фактора: доступность материала и его безвредность для человека. Кремний полнос­тью удовлетворяет обоим критериям. Приведем данные рас­пространенности в земной коре наиболее часто используемых материалов микроэлектроники: Si — 26,0 %, Аl - 7,45 %, С - 0,35 %,Р-0,12 %, Gd- 7,5^.10^-4 %, As - 5^.10^-4 %,Ge-4^.10^-4 %, Ga- 1^.10^-4 %.

Итак, сегодня монокристаллический кремний - основа ак­тивных элементов изделий интегральной электроники, поли­кристаллический кремний - основа токоведущих дорожек (меж­соединений) и резистивных слоев, диоксид и нитрид кремния — хорошие диэлектрики, а также материалы для оптических вол­новодов в изделиях опто- и квантовой электроники. Кремний

используется для чувствительных датчиков разного функцио­нального назначения.

Кремний и углерод находятся в 4 группе Периодической системы химических элементов. Углерод служит основой жиз­ни биосистем, а кремний - основой «жизни» кристаллических информационных систем. Таким образом мыслящие С-систе-мы дополняют себя быстродействующими Si-системами.

Роль микроэлектроники в современной науке и технике трудно переоценить. Она справедливо считается катализатором научно-технического прогресса. Спектр ее задач простирается от фундаментальных исследований до прикладного использо­вания. Микроэлектроника влияет на всю экономику, но не не­посредственно, а через целый ряд специфических отраслей, та­ких как вычислительная техника, информационно-измеритель­ные системы, робототехника, микропроцессоры. Микроэлект-роника — очередной исторически обусловленный этап разви­тия электроники и одно из ее основных направлений - обеспе­чивает принципиально новые пути решения назревших задач.

Первым стартовым шагом к микроэлектронике, несомнен­но, был переход от электронных вакуумных ламп, в которых применялся принцип управления электронными потоками в вакууме, к твердотельным приборам, где использовалось управ­ление движением подвижных носителей в полупроводнике. Этот шаг был сделан в лаборатории Bell Telephone Laboratories в 1948 г. и заключался в изобретении транзистора.

Первые транзисторы были точечными и, в дополнение к указанным выше недостаткам, обладали высоким уровнем шумов. Материалом для их изготовления был германий. Пере­ход от точечных транзисторов к плоскостным по времени со­впал с переходом от германия к кремнию и был осуществлен в 1953 г. на фирме Texas Instrument Incorporation. Кремниевый транзистор с диффузионными р-п-переходами позволил увели­чить мощность транзистора. Позднее процесс изготовления тран­зистора, основанный на диффузии, позволил наладить группо­вое производство транзисторов, что немедленно сказалось на уменьшении стоимости этих приборов. В 1956 г. трем амери­канским ученым - Шокли, Бардину и Браттейну - была при­суждена Нобелевская премия по физике за исследования полу­проводников и открытие транзисторного эффекта. К этому време-

ни уже стало ясно, что во многих отраслях применение транзис­торов сильно потеснит или даже заменит электронную лампу.

Второй, решающий шаг — появление интегральных микро­схем. Миниатюризация и повышение надежности транзистор­ных устройств явились большим шагом вперед на пути совер­шенствования изделий электронной техники. Но вот в 1959 г. Дж. Килби и Р. Ноис независимо друг от друга подали заявки на изобретения, согласно которым на одном кристалле крем­ния строилась целая электронная микросхема. Первая интег­ральная (биполярная) микросхема была изготовлена в 1961 г. на фирме Fairchild Semiconductor и представляла собой триг­гер, состоящий из четырех биполярных транзисторов и двух резисторов. Уже в 1963 г. фирмой RCA была выпущена первая МОП-интегральная логическая микросхема, в которой было 16 МОП-транзисторов. Быстрому распространению интеграль­ных микросхем способствовала хорошо отработанная техноло­гическая база при групповом производстве транзисторов.

Таким образом, создание интегральных микросхем приве­ло не только к техническому развитию электронных устройств в направлении их миниатюризации и уменьшения веса, но и явилось началом тех больших социальных изменений, которые обусловлены современной революцией в микроэлектронике. Так, появление электронных наручных часов произвело перево­рот в структуре часовой промышленности. Наручные часы из продукции точного машиностроения перешли в сферу изделий электронной промышленности. Предприятия, которые в неда­леком прошлом полностью занимались производством меха­нических наручных часов, изменили структуру производства в пользу электронных часов.

Аналогичным образом исчезли бытовые механические ариф­мометры, отошли на задний план такие простейшие вычисли­тельные устройства, как счеты и логарифмические линейки. Бытовые вычислительные устройства приобрели способность вычисления функций, программирования вычислений, памяти, что побудило называть их скорее не калькуляторами, а ЭВМ. Благодаря появлению портативных бытовых ЭВМ мы переста­ли пользоваться таблицами элементарных функций, такими, как

таблицы квадратных корней, логарифмов, тригонометрических функций. Таким образом, микроэлектроника в определенном смысле способствует и изменению нашего культурного уровня.

Сильное влияние оказали интегральные микросхемы (ИМС) на большие ЭВМ и промышленную электронную аппаратуру. На начальном этапе, когда технология сборки и изготовления ИМС была еще несовершенной, интеграция не приводила к зна­чительному улучшению характеристик изделий, изготовленных по этой технологии. Например, быстродействие ИМС уменьши­лось в результате интеграции. Однако по мере повышения быс­тродействия ИМС длительность задержки Сигнала во многих случаях стала определяться не столько самими изделиями, сколь­ко их монтажом. Время задержки в монтажных проводах или межсоединениях складывается из времени распространения по ним со скоростью света электрического сигнала и времени на заряд и разряд паразитных емкостей проводов, достигающих существенных значений. Вторая составляющая оказывает наи­большее воздействие на время задержки сигнала в электрон­ной схеме. Таким образом, для повышения быстродействия ИМС необходима их миниатюризация и интеграция. Этот факт в корне изменил отношение к ИМС и способствовал совершенствова­нию технологии их изготовления.

Основные усилия разработчиков ИМС направлены на усо­вершенствование уже сложившихся принципов создания ИМС, на улучшение их электрических и эксплуатационных характе­ристик. Работы ведутся, главным образом, в направлении по­вышения быстродействия микросхем (уменьшения энергии, расходуемой внешним источником на одно переключение ло­гического устройства) и их степени интеграции. Решение этих проблем связывают с усовершенствованием технологии полу­чения микроэлектронных структур минимально возможных размеров.

Современная микроэлектроника получила необычайно быс­трое развитие благодаря разработке и широкому применению сверхбольших интегральных схем (так называемых СБИС). Электронные изделия, выполненные на СБИС, обладают широ­кими функциональными возможностями, имеют крайне малые габариты, высокую надежность и низкую стоимость.

Дальнейшее развитие микроэлектроники связано с принци-

пиально новым подходом, позволяющим реализовать опреде­ленную функцию аппаратуры без применения стандартных ба­зовых элементов, используя различные физические эффекты в твердом теле. Функциональная электроника охватывает воп­росы получения континуальных (непрерывных) комбинирован­ных сред с заданными свойствами и создания различных элек­тронных устройств методом физической интеграции, т.е. ис­пользования таких физических принципов и явлений, реализа­ция которых позволяет получить компоненты со сложным схе­мотехническим или системотехническим функциональным назначением (в отличие от, технологической интеграции — кон­струирования ИМС на основе функционально простых элемен­тов типа транзисторов, диодов, резисторов, и т.д.).

Такое направление получило название «функциональная микроэлектроника». Используются оптические явления (опто-электроника), взаимодействие электронов с акустическими вол­нами в твердом теле (акустоэлектроника), эффекты в новых магнитных материалах (магнетоэлектроника), электрические неоднородности в однородных полупроводниках, явление холод­ной эмиссии в пленочных структурах, явления живой приро­ды на молекулярном уровне (бионика, биоэлектроника, нейри-сторная электроника) и др.