Для присоединения внахлест проволоки из алюминиевых сплавов УЗ микросваркой используют капилляры из твердых сплавов типа ВК 20 с упрочненной рабочей поверхностью, име­ющие обозначение КУТ32 - 27 - 95 - 15 (капилляр для УЗ и термозвуковой сварки: 27 - диаметр проволоки, 95 - размер Л, 15 - размер R).

12.5. Монтаж жесткими объемными выводами

Стоимость присоединения проволочных выводов составляет большую часть общей стоимости, и поэтому потребность в авто­матизации этого процесса очень велика и продолжает расти с увеличением степени интеграции ИМС. Стоимость присоедине­ния кристалла ниже стоимости присоединения проволочных выводов, но по мере усложнения схемы она растет. Кроме того, сам кристалл БИС очень дорог, поэтому для повышения произ­водительности сборочных операций и процента выхода годных изделий большое внимание уделяется обеспечению полной ав­томатизации присоединения кристаллов и выводов.

Одним из необходимых условий для реализации беспрово­лочного метода является создание на кристаллах ИМС специ­альных контактных выступов в виде балок или шариков. Тех­нологический процесс производства ИМС с объемными вывода­ми состоит из следующих основных стадий:

• на пластине кремния изготавливаются с использованием стан­дартных планарных методов требуемые полупроводниковые приборы, для чего используются специальные фотошаблоны, в которых изменена геометрия контактных окон;

• для защиты планарной структуры от механических и хими­ческих воздействий в процессе изготовления сборки и эксп­луатации на поверхность структуры наносят дополнитель­ные защитные слои диэлектриков, например, SiO₂, Si₃N₄;

• изготавливаются металлические контакты к структуре и объемные выводы, выступающие над кристаллом (шарики) или за пределы кристалла (балки). Объемные выводи изго-

тавливают сразу ко всем контактам всех структур на плас­тине, например, электроосаждением металлов, оплавлением либо раскладкой готовых шариков через трафарет.

Отказ от индивидуальной термокомпрессии и замена ее груп­повой операцией осаждения выводов на всей пластине обеспе­чивает основное экономическое преимущество объемных выво­дов по сравнению с проволочными выводами, уменьшение зат­рат ручного труда.

Готовая пластина разрезается на отдельные приборы, кото­рые затем поступают на сборку в ГИС или БИС. Качество и механическая прочность объемных контактов выше, чем при индивидуальной термокомпрессии, поскольку в конструкциях отсутствуют длинные резонансные элементы ИМС, что очень важно для применения в военной и космической технике.

Существующая технология предусматривает создание шари­ковых выводов на всей пластине. В случае ТТЛ ИМС или КМОП ИМС, для которых выход годных на пластине достаточно вы­сок, такой подход оправдан. Однако для более сложных прибо­ров с низким выходом годных на пластине стоимость создания шариковых выводов для всех структур на пластине при условии использования только небольшого процента годных структур может оказаться столь высокой, что она сведет на нет эконо­мию, связанную с использованием ленты-носителя. Новый ме­тод фирмы Mostek заключается в том, чтобы шариковые выводы создавать не на пластине, а на ленте. Для БИС, у которых невысокий процент выхода годных, этот метод с экономической точки зрения себя оправдывает. Кроме того, лента с шариковы­ми выводами может быть использована для сборки стандарт­ных кристаллов со структурами ИМС.

Для монтажа в гибридные ИМС крупногабаритных кристал­лов, особенно если в качестве платы используется материал с КТР, значительно отличающийся от КТР кремния, могут быть рекомендованы ИМС со столбиковыми выводами. Оригиналь­ный метод сборки приборов «Unibond» разработан фирмой Fairehild Semiconductor, в котором для соединения кристалла с внешними выводами используются кристаллы с шариковыми

выводами с контролируемой деформацией и система балочных выводов для присоединения к внешней рамке.

Изготовление ИМС по методу «Unihond» начинается с фор­мирования шариковых контактов диаметром 125 мкм на кон­тактных площадках кристалла. Этот процесс, в ходе которого создаются двухслойные шариковые контакты, проводится сразу на всех структурах до скрайбирования пластины. Двухслойная структура шариковых контактов гарантирует, что в процессе прохождения кристалла и рамки с выводами через печь шарики деформируются на заданную величину. После изготовления ша­риковых контактов пластина скрайбируется и кристаллы поме­щаются в кассету с 10 углублениями, которая вибрирует, сме­щая кристаллы к определенным углам гнезд. Затем на крис­таллы, расположенные лицевой стороной вверх, накладывают рамки с выводами.

Рамки представляют собой штампованные детали круглой формы, содержащие прямые металлические «балки», расходя­щиеся радиально от расположенного в центре кристалла. На рамку с выводами накладывается груз, и вся сборка - кассета, кристаллы, лента, в которой отштампованы рамки с выводами, и грузы пропускается через конвейерную печь.

Контролируемая деформация расплавляющегося верхнего слоя шариковых контактов допускает несколько неточное совмеще­ние кристалла и рамки с выводами. При расплавлении этого слоя поверхностное натяжение расплава стремится установить рамку в правильное положение. Когда приборы выходят из печи, они заливаются в пластмассовые «таблетки». В этом виде прибор почти готов. На этом этапе изделие может использо­ваться само по себе или монтироваться в гибридные ИМС. По-мимо этого, оно может поступать дальше в технологический цикл для завершения сборки по системе «Unibond».

Если таблеточный корпус поместить на облуженную рамку с выводами, размеры которой соответствуют стандартному корпу­су с двухрядным расположением выводов, и пропустить опять через печь, то все выводы таблеточного корпуса соединятся с внешними выводами, а прибор можно будет поместить в стан­дартный пластмассовый корпус типа DIP.

Система «Unibond» не только исключает дорогую и не очень надежную проволочную сборку, но и обладает дополнительными преимуществами. Прежде всего готовый прибор может рассеять на 25 % больше тепла, чем прибор в стандартном пластмассо­вом корпусе DIP. Это связано с тем, что балочные выводы боль­ше по размерам, чем обычно используемые проволочки диамет­ром 25 мкм. Поэтому через них могут проходить большие токи. При использовании системы «Unibond» сборка прибора с 14-16 выводами, расположенными в два ряда, ускоряется примерно в 50 раз по сравнению с ручной. Пластмасса для таблетки подби­рается таким образом, чтобы она защищала кристалл, а пласт­масса для наружного корпуса - так, чтобы обеспечивала устой­чивость к внешним воздействиям. В результате приборы стано­вятся более надежными, чем с проволочными выводами, а эко­номия времени на операциях сварки и контроля составляет до 50 раз.

В ИМС с балочными выводами, впервые разработанными фир­мой Bell Telephone Laboratories, система проводников, получен­ных осаждением золота, не только служит для соединения от­дельных компонентов схемы друг с другом, но и обеспечивает связь ИМС с внешними схемами и устройствами. Золотой ба­лочный вывод имеет относительно большую толщину (12 мкм) и выступает за границы кремниевого кристалла подобно кон­сольной балке. Выступающий конец балочного вывода служит для присоединения к контактной площадке монтажной платы или подложки.

Открытые площадки ИМС соединяются друг с другом при помощи золотых выводов, осажденных электролитическим пу­тем поверх структуры, состоящей из последовательных слоев силицида платины, титана и платины. Силицид платины обес­печивает хороший омический контакт с кремнием, обладаю­щий малым переходным сопротивлением, слой титана служит для обеспечения хорошей связи расположенного над ним слоя платины с нитридом, покрывающим поверхность кремния по сторонам от контактной площадки, а платина защищает рас­положенные под ней слои от миграции золота. Для приборов с балочными выводами достигнут выход годных, равный 99 % по механическим и более 90 % по электрическим параметрам.

Метод фирмы AEG-Telefunken напоминает сборку с помо­щью паучковых выводов, но имеет ряд отличий:

• использование выращенных гальванически на контактных площадках золотых «шариков»;

• металлизация слоями титана, вольфрама и золота;

• об луженная никелевая рамка с « паучковыми» выводами, слу­жащая для соединения кристалла с выводами корпуса;

• теплопроводящий клей на основе эпоксидной смолы для крепления кристалла в корпусе,

В методе «Sicon» для «паучковых» выводов использовал­ся луженый никель, который дает возможность осуществлять пайку твердым припоем, что в свою очередь исключает упрочня­ющее покрытие смолой. Прочность контактов на отрыв пример­но в 10 раз больше значений, полученных при приварке прово­лочных выводов диаметром 25 мкм.

Фирма AEG-Telefunken, разработавшая метод «Sicon», в ши­роких масштабах применяет металлизацию на основе системы титан-вольфрам-золото. По сравнению с алюминием металли­зация на основе тяжелых металлов уменьшает электромиграцию по крайней мере на два порядка величины и позволяет изба­виться от проблемы «пурпурной чумы». Это явление при при­варке проволочных выводов вызывается образованием интерме­таллических соединений алюминия с золотом. Оно накладывает ограничения на температурный диапазон работы приборов.

Наиболее успешным методом обработки пластин при авто­матизированном соединении на ленточном носителе является создание столбиков из золота, полученных электролитическим осаждением, или меди, покрытой золотом, на алюминиевых кон­тактных площадках кристалла при его монтировании на одно-, двух- и трехслойной лентах (рис. 12.7). Критической стадией, влияющей на выход годных приборов, является селективное травление слоев, полученных методом вакуумного испарения или ионного распыления. При химическом стравливании этих слоев травитель может проникать в пассивирующее покрытие и растворять легкокорродирующее алюминиевое межкомпонентное соединение.

Во избежание связанных с этим явлением технологических потерь применяется несколько процессов, включая плазменное травление. Стоимость всех дополнительных процессов обработ­ки пластин входит в стоимость годного кристалла на пластине. Это повышение стоимости кристалла и технологические потери из-за травления алюминия делают процесс создания столбиков на пластине менее привлекательным, чем выполнение прово­лочного соединения.

Автоматизированное соединение на ленточном носителе ис­пользуется для монтажа кристаллов небольшого размера в плос­ком корпусе с двухрядным расположением вертикальных вы­водов, где стоимость процесса создания столбика на прибор низ­ка и невелики потери из-за травления металлизации (вслед­ствие малых размеров кристалла), а также для подсоединения кристаллов СБИС.

Примером применения автоматизированного соединения на ленточном носителе может служить многокристальный модуль для ЭВМ, где кристаллы сформированы на ленте, подвергаемой впоследствии тестированию. Каждый кристалл может быть тщательно испытан или отбракован перед сборкой, что невоз­можно в случае использования приборов с проволочным соеди­нением к незащищенной алюминиевой контактной площадке.

Технологический процесс сборки методом перевернутого кристалла, по которой выполнено соединение кристалла ша­риками припоя начинается с последовательного напыления Сr, Сu и Au через металлическую маску на все алюминиевые кон­тактные площадки на пластине.

Контактные площадки могут быть расположены в любой области на поверхности кристалла, с некоторыми ограничения­ми. Золото предохраняет тонкопленочную структуру от окисле­ния до нанесения на покрытие Сr—Сu—Au последующих слоев Pb-Sn. Пленку Pb-Sn осаждают на большей площади по срав­нению с площадью, занимаемой контактными площадками с покрытием Сr—Сu—Au. Площадь и толщина этой осажденной пленки определяют окончательные размеры шарика. Структура, полученная осаждением Pb и Sn, показана на рис 12.8 штри­ховой линией. После напыления готовую структуру помещают

в камеру с пониженным давлением, где с пленки Pb-Sn благода­ря силам поверхностного натяжения удаляется окисный слой и образуется шарик припоя с площадью основания, определен­ной размерами покрытия Cr-Cu-Au.

Целью оптимизации конструкции является сведение к ми­нимуму деформации сдвига в объеме припоя во время термоцик-лирования и достижение максимально возможной прочности со­единения на поверхности раздела между кристаллом и подлож­кой. Прочность соединения поверхностей раздела кристалл -припой и подложка - припой на разрыв оптимизируется выбо­ром такой контактной площади подложки, чтобы при испыта­ниях на термоциклирование и скручивание эти две поверхности раздела разрушались в равной степени. Это условие достигает­ся выравниванием поверхностных напряжений.

Величину r₁ устанавливают на основании многих факторов, включая сведение к минимуму области кремния, на которой локализовано соединение. Оптимальное соотношение r₀/r₁ обо­значив через К. Тогда размер квадратной контактной площад­ки области определится из соотношения

(12.11)

где

- краевая длина контактной области.

Возникновение осложнений для кристаллов СБИС связано с тем, что не все столбики припоя расположены на равном рас­стоянии от нейтральной точки. Кроме того, поскольку расстоя­ние d увеличивается, а размеры соединений остаются неизмен­ными, время до разрушения в цикле усталостных испытаний уменьшается. Если необходимо поддержать это время на пре­жнем уровне, то для сохранения оптимальных условий может быть увеличен радиус r₁ вместе с другими размерами. Чем боль­ше радиус r₁ тем больше область для осаждения припоя и, следовательно, больше расстояние между контактными площад­ками. Увеличение этого расстояния требует большей площади кремния. Выбор размера и формы шарика припоя в этом случае можно сделать с учетом стоимости кремния, надежности, быст­родействия схемы, а также многих других параметров.

Рис. 12.8. Поперечное сечение контакта при монтаже ИМС методом перевернутого кристалла: 1 - слой фазового состава Cr+Cu; 2 - шарик припоя 5% Sn - 95%РЪ, 3 - осажденный припой; 4 - интерметаллическое соединение Cu-Sn; 5 - стекло

Основными преимуществами технологии сборки методом пе­ревернутого кристалла являются возможность матричного рас­положения контактных площадок (по сравнению с контактны­ми площадками, расположенными по краю кристалла) и очень малая протяженность межкомпонентных соединений, что сво­дит к минимуму величину их индуктивности. Основные недо­статки этой технологии — худшие тепловые характеристики (по сравнению с кристаллом, присоединенным обычным спосо­бом) и трудность герметизации матрицы контактных площа­док.

Преимуществам «паучкового» метода сборки являются:

• легкость контроля качества;

• «паучковые» выводы могут легко применяться в ИМС с не­ограниченным количеством контактных площадок;

• применение алюминиевых выводов позволяет получать на­дежное сварное соединение методом УЗ сварки;

• технологический процесс получения выводов не связан с об­работкой пластины, благодаря чему их получение не сказы­вается на цикле изготовления ИМС;

- увеличение производительности в 30-50 раз по сравнению со сборкой проволочными выводами.

Недостатком «паучковых» выводов является трудность за­мены кристалла.

445