- •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
6.6.4. Тепловые эффекты в зоне соединения Al-Ag
На качество соединений при УЗС большое влияние оказывает состояние поверхности соединяемых элементов. На поверхности металлов всегда присутствует слой оксидов. В атмосфере сухого кислорода толщина оксидной пленки на поверхности алюминия является функцией температуры. При комнатной температуре предельная ее толщина составляет 2,5-3,0 нм. Различными исследователями установлен логарифмический закон изменения толщины пленки во времени при низких и нормальных температурах. Толщина оксидной пленки увеличивается в присутствии паров воды. При комнатной температуре и 100 % относительной влажности толщина пленки вдвое больше, чем в сухом кислороде. Однако в обоих случаях временная зависимость изменения толщины одинакова. Во влажной атмосфере на поверхности алюминия образуется двухслойная пленка: непрерывная пленка оксида алюминия непосредственно на поверхности металла и пленка гидрооксида на границе раздела металла и газовой фазы. При более высоких температурах на алюминии и алюминиевых сплавах, в особенности легированных магнием и медью, образуется пленка более сложной структуры. В этих случаях рост пленки уже не подчиняется простым временным зависимостям.
Молекулярный объем оксида почти в 1,3 раза больше, чем объем алюминия, участвовавшего в реакции окисления. Поэтому поверхностный слой находится под действием сжимающих напряжений и быстро восстанавливается при повреждении.
Методом Оже-спектроскопии исследована поверхность алюминиевой проволоки и установлено, что слой оксида алюминия толщиной около 1 нм не препятствует образованию качественного сварного соединения с контактными площадками ППИ. Однако при толщине оксидов 100 нм и более получить качественное сварное соединение не удается.
При УЗС поверхностные оксиды и адсорбированные пленки разрушаются и вытесняются из зоны сварки при пластической деформации в процессе приложения давления и за счет диспергирующего воздействия ультразвуковых колебаний, но не полностью. Оставшиеся оксиды уменьшают фактическую площадь контакта, а следовательно, увеличивают сопротивление и снижают прочность сварных соединений.
В процессе УЗС происходит нагрев соединяемых элементов, вызванный несколькими причинами, например, трением при скольжении поверхностей относительно друг друга. Одной из причин дополнительного подогрева контактирующих поверхностей является протекание химических реакций между соединяемыми металлами и их оксидами, проходящих с выделением некоторого количества тепла. С увеличением температуры контакта увеличивается глубина объемного взаимодействия между соединяемыми металлами, ускоряются процессы диффузии, и в результате возможно увеличение прочности соединений. В то же время с увеличением температуры интенсивно протекают процессы образования интерметаллидов. Вышеизложенные процессы могут оказать существенное влияние на формирование качественного сварного соединения.
По известной методике проведены расчеты экзотермических тепловых эффектов в зоне контакта при УЗС алюминиевой проволоки с серебряным покрытием траверс корпусов СПП.
Допустим, что при УЗС поверхностный оксид на алюминиевой проволоке разрушается и происходит взаимодействие ювенильных слоев алюминия с окисленной поверхностью покрытия траверсы корпуса ППИ. Для процессов, протекающих при атмосферном давлении, Q = – ΔH, где Q – теплота образования (тепловой эффект реакции), ккал/моль; ΔH – изменение энтальпии системы.
В зоне контакта алюминия с покрытием из серебра протекает реакция
2Al+3Ag2O→Al2O3+6Ag+Qу.
Теплота образования: Al2O3(–ΔH298) + 399 ккал/моль, Ag2O(–ΔH298) + 7,306 ккал/моль. Следовательно, протекание данной реакции термодинамически возможно.
При УЗС алюминиевой проволоки диаметром 0,25 мм с покрытием из серебра длина сварного соединения при оптимальных режимах составляет 0,6 мм, ширина 0,3 мм, а площадь 0,18 мм2. При толщине слоя Al2O3 на поверхности алюминиевой проволоки, равной 10–6 мм, общий объем оксида 1,8∙10–7 мм3, плотность 3,5∙10–3 г/мм3, вес оксида 6,3∙10–10 г.
Реакции, протекающие в контакте алюминиевой проволоки с серебряным покрытием имеют вид
-
2Al + ⅔О2→Al2O3 + 399 ккал/моль,
4Ag + О2→2Ag2O + 7,306 ккал/моль;
4Al + 3О2 – 12Ag – 3О2 → 2Al2O3 + 798 – 6Ag2O – 21,918;
2Al + 3Ag2O → Al2O3 + 6Ag + 388,041 ккал/моль.
Молекулярная масса Al2O3 – 102 г/моль, QAl-Ag = 388041/102 = 3804,3 кал/г. Таким образом, выделится тепло в количестве: 3804,3∙6,3∙10–10 = 2,397∙10–6 кал. Если предположить, что, окисляясь, нагревается только Al2O3 (теплоемкость 0,185 кал/(г∙ºС)), то локальное повышение температуры без учета теплоотвода составит
ºC.
Предположим, что процесс УЗС сопровождается объемным взаимодействием соединяемых металлов на глубину 10–4 мм. При этом на площади сварного соединения 0,18 мм2: объем алюминия 1,8∙10–5 мм3, вес 4,86∙10–8 г, теплоемкость 0,216 кал/(г∙ºС); объем серебра 1,8∙10–5 мм3, вес 1,89∙10–7 г, теплоемкость 0,0565 кал/(г∙ºС).
Локальное повышение температуры при нагреве алюминиевой проволоки и серебряного покрытия без учета теплообмена с окружающей средой составит
ºC.
Таким образом, температура в зоне УЗС может достигать существенных значений не только в результате трения соединяемых поверхностей, но и за счет экзотермических химических реакций. В контакте алюминиевой проволоки с серебряным покрытием выделяется большее количество тепла, чем при сварке с никелевым покрытием (50,5 ºC). Данный фактор необходимо учитывать при выборе режимов формирования сварных соединений.
В заключение следует отметить, что проведенные исследования соединений Al-Ag являются первым этапом работы по оценке качества и надежности данных контактов. Авторы статьи продолжают исследования этих соединений при термоциклировании, длительных температурных воздействиях, под токовой нагрузкой, а также испытаниями на коррозионную стойкость.