- •Конструктивно-технологические аспекты сборки полупроводниковых изделий
- •Глава 5. Бессвинцовая пайка в технологии производства ппи 137
- •Глава 6. Проволочный монтаж в производстве ппи 207
- •Глава 7. Групповой монтаж в технологии производства ппи 311
- •Глава 8. Контроль качества внутренних соединений ппи 348
- •Введение
- •Глава 1. Металлические материалы для формирования внутренних соединений
- •1.1. Микронная алюминиевая проволока
- •1.2. Влияние свойств проволоки и ее подготовки к сварке на качество соединений спп
- •Глава 2. Инструмент для сборочных операций ппи
- •2.1. Технологические особенности изготовления инструмента
- •2.2. Влияние конструкции инструмента на качество микросоединений
- •2.3. Схватывание инструмента с выводами при монтаже
- •2.4. Инструмент для сварки внутренних выводов спп
- •2.5. Инструмент для монтажа выводов и кристаллов
- •Глава 3. Методы и устройства для оценки адгезии пленок к подложкам
- •3.1. Неразрушающие методы
- •3.2. Разрушающие методы
- •3.3. Влияние технологических факторов на адгезионную прочность пленок с подложкой
- •3.4. Контроль адгезии в микросварных соединениях
- •3.5. Устройство для экспресс-контроля адгезии пленок к подложкам
- •3.6. Устройства для оценки адгезионной прочности локальных пленочных площадок с подложкой
- •Глава 4. Монтаж полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов
- •4.1. Пайка кристаллов
- •4.1.1. Оборудование для монтажа кристаллов
- •4.2. Групповая термоимпульсная пайка кристаллов
- •4.3. Оценка смачиваемости и растекания припоя по паяемой поверхности
- •4.4. Заполнение припоем капиллярного зазора между кристаллом и корпусом при пайке
- •4.5. Контроль качества паяных соединений
- •4.6. Посадка на клей
- •4.6.1. Оборудование для клеевых соединений
- •Глава 5. Бессвинцовая пайка в технологии производства ппи
- •5.1. Недостатки Pb-Sn припоев
- •5.2. Экологические аспекты проблемы бессвинцовой пайки изделий микроэлектроники
- •5.2.1. Нормативные требования к размещению твердых бытовых и токсичных промышленных отходов
- •5.2.2. Токсикологическая оценка металлов, входящих в состав припоев и покрытий для бессвинцовой пайки
- •5.2.3. Экологическая оценка припоев пос40 (40Sn/60Pb) и бессвинцового 95,5Sn/4Ag/0,5Cu
- •5.3. Покрытия для бессвинцовой пайки
- •5.3.1. Цинковое покрытие
- •5.3.2. Олово – висмутовое покрытие
- •5.3.3. Оловянное покрытие
- •5.3.4. Никелевое покрытие
- •5.3.5. Сплав никель – олово
- •5.3.6. Серебряное покрытие
- •5.4. Бессвинцовые припои в технологии производства ппи
- •5.4.1. Индиевые припои
- •5.4.2. Висмутовые припои
- •5.4.3. Припои на цинковой основе
- •5.4.4. Припои на основе кадмия
- •5.4.5. Припои на основе олова
- •5.5. Пайка кристаллов к основаниям корпусов ппи
- •5.5.1. Пайка кристаллов ппи на основания корпусов с образованием эвтектики Si-Au
- •5.5.1.1. Свойства золота
- •5.5.1.2. Подготовка золотой фольги и позолоченных корпусов ппи к сборочным операциям
- •5.5.1.3. Остаточные механические напряжения в кристаллах при эвтектической пайке Si-Au
- •5.5.1.4. Новый способ подготовки золотой прокладки к пайке
- •5.5.2. Пайка кристаллов ппи на основания корпусов с образованием эвтектики Sn-Zn
- •5.5.2.1. Возможные варианты пайки кристаллов на эвтектику Sn-Zn
- •5.5.3. Металлическая система для монтажа полупроводникового кристалла к корпусу
- •5.6. Пайка золота в изделиях микроэлектроники оловянно-индиевыми припоями
- •5.6.1. Исследование растворения золотой проволоки в жидкой фазе припоя поИн50
- •5.6.2. Исследование растворения золотой проволоки в твердой фазе припоя поИн50
- •5.6.3. Взаимодействие припоя поИн50 с золотым технологическим покрытием ппи
- •Глава 6. Проволочный монтаж в производстве ппи
- •6.1. Способы присоединения проволочных выводов
- •6.1.1. Термокомпрессионная микросварка
- •6.1.2. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (скин)
- •6.1.3. Ультразвуковая микросварка
- •6.1.3.1. Расчет концентраторов для установок ультразвуковой микросварки
- •6.1.4. Односторонняя контактная сварка
- •6.1.5. Пайка электродных выводов
- •6.1.5.1. Оборудование для присоединения проволочных выводов
- •6.2. Влияние состава алюминиевой металлизации на качество микросварных соединений Al-Al
- •6.2.1. Повышение качества микросоединений, выполненных узс
- •6.2.2. Повышение качества микросоединений, выполненных ткс
- •6.3. Микросварные соединения алюминиевой проволоки с алюминиевым гальваническим покрытием корпусов изделий электронной техники
- •6.3.1. Алюминиевые покрытия, полученные электролитическим методом
- •6.3.2. Влияние свойств покрытия на качество соединений с алюминиевой проволокой при термокомпрессионной сварке
- •6.3.3. Коррозионная стойкость микросоединений Alп-Alг
- •6.4. Исследование микросварных соединений алюминиевой проволоки с золотым гальваническим покрытием корпусов изделий электронной техники
- •6.4.1. Микросварные соединения Al-Au
- •6.4.2. Термоэлектротренировка микросварных контактов Al-Au.
- •6.4.3. Повышение коррозионной стойкости микросоединений Al-Au.
- •6.5. Микросварные соединения алюминиевой проволоки в корпусах ппи с покрытиями из никеля и его сплавов
- •6.5.1. Микросварные соединения к корпусам с покрытиями Ni и его сплавами
- •6.5.2. Стойкость микросварных соединений Аl-Ni к температурным воздействиям и под токовой нагрузкой.
- •6.5.3. Свариваемость алюминиевой проволоки с никель-бор покрытием при термообработке.
- •6.6. Оптимизация режима ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки с серебряным гальваническим покрытием корпусных деталей спп
- •6.6.1. Серебряное покрытие
- •6.6.2. Подготовка корпусов с серебряным покрытием к сборочным операциям
- •6.6.3. Выбор оптимального режима узс соединения Al-Ag
- •6.6.4. Тепловые эффекты в зоне соединения Al-Ag
- •6.7. Выбор оптимальных режимов сварки внутренних микросоединений датчиков газов
- •Глава 7. Групповой монтаж в технологии производства ппи
- •7.1. Пайка полупроводниковых кристаллов с объемными выводами к основаниям корпусов методом «flip-chip»
- •7.1.1. Изготовление шариков припоя и размещение их на кристалле
- •7.1.2. Изготовление столбиковых припойных выводов
- •7.1.3. Формирование шариковых выводов оплавлением проволоки
- •7.1.4. Пайка кристаллов со столбиковыми выводами на контактные площадки
- •7.2. Сборка ппи с паучковыми выводами
- •7.2.1. Расчет напряжений в микросоединениях, сформированных ультразвуковой микросваркой паучковых выводов к кристаллам ис
- •7.2.2. Особенности монтажа внутренних выводов бис и сбис
- •Глава 8. Контроль качества внутренних соединений ппи
- •8.1. Разработка методики оценки прочности микросоединений в изделиях силовой электроники
- •8.1. Оценка прочности микросоединений в ппи
- •8.2. Контроль прочности микросоединений бис и сбис
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
5.6.2. Исследование растворения золотой проволоки в твердой фазе припоя поИн50
Исследования свойств паяных соединений непосредственно на реальных образцах представляют большую сложность и иногда приводят к противоречивым результатам. Это связано с варьированием режимов и объемов припоя в реальных условиях, что влияет на исходные характеристики соединений в процессе монтажа, а при эксплуатации приборов – на свойства контактов. Поэтому для получения достоверных сведений и уменьшения времени исследований необходимо стремиться к полной идентичности исследуемых паяных соединений.
С этой целью проводились исследования процессов термостарения паяных контактов на печатных платах микросборок с использованием золотой проволоки диаметром 0,04 мм и припоя ПОИн50. С помощью поперечных шлифов анализировалось не только растворение золотой проволоки в твердой фазе, но и рост интерметаллических соединений, прилегающих к проволоке.
Обычно при эксплуатации ППИ их максимально допустимая температура не превышает 125 °С. Поэтому с учетом температуры плавления ПОИн50 термостарение паяных соединений проводили при 100 °С.
Золотая проволока предварительно разваривалась ультразвуковым способом на алюминиевые рамки толщиной 0,5 мм. Затем рамка с проволокой быстро погружалась в алюминиевый тигель с расплавленным припоем. Практически одновременно с этим алюминиевый тигель охлаждался в воде комнатной температуры. Внутренний диаметр тигля составлял 11 мм, а глубина жидкого припоя равнялась 7-8 мм. При этом золотая проволока полностью погружалась в расплавленный припой, т. е. объем припоя можно считать бесконечно большим для проволоки диаметром 0,04 мм. В данном эксперименте исключалось влияние объема припоя на кинетику диффузионных процессов проволоки с припоем.
Во избежание образования на поверхности расплавленного припоя оксидной пленки и для обеспечения хорошего смачивания проволоки на поверхность припоя наносилось небольшое количество триэтаноламина, а припой расплавлялся до температуры пайки. Хорошая теплопроводность алюминия обеспечивала равномерный прогрев припоя в тигле и быстрое его охлаждение в воде.
Застывший припой с золотой проволокой извлекался из тигля, с нижней стороны слитка изготавливались шлифы поперечных сечений. Исходное состояние золотой проволоки после вплавления и каждого цикла термотренировки регистрировалось на микроскопе МИМ-8М. Измерение диаметра золотой проволоки проводилось без подшлифовки металлографического сечения и после дополнительного снятия слоя с продуктами химических реакций.
Экспериментальным путем установлено растворение золотой проволоки диаметром 0,04 мм от времени выдержки в твердой фазе (температура 100 °С) припоя ПОИн50. На поперечных шлифах (рис. 5.10) показан характер растворения золотой проволоки в припое ПОИн50. Полное растворение золотой проволоки в припое ПОИн50 при температуре 100 °С произошло через 540 ч.
Рис. 5.10. Растворение золотой проволоки (Au) диаметром 0,04 мм в припое ПОИн50: (а) – в начальный момент испытаний; (б) – после выдержки при температуре 100 °С в течение 120 ч. Увеличение 850.
Термотренировка образцов проводилась в муфельной печи, температура в которой поддерживалась с точностью ±5 °С. Принудительное охлаждение образцов после выгрузки их из печи не применялось. По полученным результатам построен график растворения золотой проволоки в зависимости от времени ее контактирования с припоем ПОИн50 при температуре 100 °С (рис. 5.11).
Рис. 5.11. Растворение золотой проволоки диаметром 0,04 мм в припое ПОИн50 от времени выдержки в твердой фазе при температуре 100 °С
Эти эксперименты можно отнести к методам ускоренных испытаний для выявления поведения золотой проволоки микронных размеров в контакте с припоем. В реальных паяных контактах на начальном этапе старения процессы идут аналогично, но в дальнейшем растворение золота и насыщение им припоя сдерживает диффузионные процессы. Несмотря на эти особенности, экспериментальные данные позволяют судить о кинетике растворения золотой проволоки, росте интерметаллидных прослоек и дают возможность оценить термостойкость реальных паяных соединений.
Одним из основных критериев оценки надежности любых контактов, в том числе и паяных, является изменение их сопротивления при испытаниях или при эксплуатации изделия. С этой целью проводили замеры сопротивления шести контактов после пайки и после выдержки при температуре 100 °С в течение 2500 ч. Как видно из гистограммы (рис. 5.12), сопротивление контактов после пайки находилось в пределах 0,196-0,206 Ом, а после испытаний сопротивление возросло до 0,201-0,23 Ом. Следует отметить, что сопротивления контактов № 1 и № 4 практически не изменились, а у контакта № 3 оно возросло в 1,17 раза. Такой разброс значений сопротивлений связан, по-видимому, с отклонением от оптимальных режимов при формировании паяных контактов.
Рис. 5.12. Гистограмма сопротивлений контактов золотой проволоки диаметром 0,04 мм, паянных припоем ПОИн50: 1 – после пайки; 2 – после испытаний в течение 2500 ч при температуре 100 °С.