- •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
2.4. Инструмент для сварки внутренних выводов спп
Возросший уровень цен на энергоносители и резкое увеличение энергоемкости внутреннего валового продукта активизировали разработку и производство изделий силовой энергосберегающей бытовой и промышленной аппаратуры.
СПП в составе модулей обеспечивают коммутацию токов свыше 1000 А и напряжений до 5,5 кВ, при этом размеры чипов достигают площади 2,6 см2 (1616 мм).
Все это предъявляет повышенные требования к технологии производства, особенно к монтажно-сборочным операциям в СПП. При решении вопроса о надежности соединений в СПП, наряду с выбором оптимальных способов и режимов монтажа необходимо учитывать качество металлизации контактных площадок кристаллов и корпусов, присоединяемой проволоки, материала и конструкции сварочного инструмента.
В СПП при УЗС выводов используется алюминиевая проволока диаметром 0,25 мм и более. Соединения должны иметь плавный переход сварного соединения в проволоку, «без шейки», так как повышенное напряженное состояние данного участка соединения приводит к увеличению электрического сопротивления контактов под токовой нагрузкой и, естественно, к снижению надежности СПП.
Для УЗС проволочных выводов в СПП разработана конструкция сварочного инструмента. Инструмент для УЗС (рис. 2.4) имеет рабочую площадку 1 с продольной канавкой 2, поперечное сечение которой имеет форму равнобочной трапеции с размерами в нижнем основании 1,0d, в верхнем – 0,75d и высотой 0,6d, где d – диаметр привариваемой проволоки. При этом радиус закругления R1 на передней кромке рабочей площадки инструмента равен радиусу изгиба проволоки при сварке на корпусе, а радиус закругления R2 – соответствует радиусу изгиба проволоки при подаче ее через капиллярное отверстие в зону сварки на кристалле.
Рис. 2.4. Инструмент для УЗС проволочных выводов СПП: а – рабочий торец инструмента в разрезе; б – положение проволоки в канавке инструмента перед сваркой; в – положение проволоки в канавке инструмента после сварки: 1 – рабочая площадка; 2 – продольная канавка, 3 – поперечное сечение канавки; 4 – привариваемая проволока; Q – давление инструмента при сварке
Ширина канавки на рабочей площадке инструмента в нижнем основании, равная диаметру привариваемой проволоки, обеспечивает центрирование проволоки относительно контактной площадки при сварке. Глубина канавки, равная 0,6 диаметра проволоки, ограничивает деформацию проволоки при сварке и практически исключает ее заклинивание в канавке инструмента после сварки.
Радиусы закругления R1 на передней кромке рабочей площадки инструмента и R2 на задней кромке – позволяют формировать плавный переход от сварного соединения к недеформированному сечению проволоки, т.е. получать сварные соединения без «шейки». Радиус R1 зависит от формы перемычки проволоки между кристаллом и корпусом, а радиус R2 – от упругих свойств проволоки и угла наклона капиллярного отверстия инструмента.
Схема присоединения проволочных выводов в диодах Шоттки в корпусе ТО-220 представлена на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Схема формирования проволочной перемычки между кристаллом и корпусом диодов Шоттки: 1 – сварочный инструмент; 2 – привариваемая проволока; 3 – кристалл; 4 – корпус; 5 – траверса корпуса
Использование разработанной конструкции инструмента для УЗС по сравнению с существующими конструкциями имеет следующие преимущества: обеспечивает напряженное состояние в проволоке в зоне сварки близкое к всестороннему сжатию; способствует минимальной деформации привариваемой проволоки в зоне сварки; создает плавный переход от сварного соединения к недеформированному сечению проволоки.
Для соединений между кристаллом и траверсами корпуса СПП, как было отмечено выше, целесообразно использовать проволоку диаметром 0,4-0,5 мм. Для УЗС проволоки данных размеров требуются повышенные мощность ультразвукового генератора и давление сварочного инструмента. Кроме того, использование проволоки приводит к неравномерной прочности сварного соединения по площади взаимодействия проволоки с контактной площадкой кристалла или корпуса. Наибольшая площадь контактирования проволоки с пленкой характерна для центральной области проволоки.
«Жесткие режимы» УЗС, особенно на кристалле, приводят к ухудшению электрических параметров СПП. Поэтому для обеспечения заданной мощности, подаваемой на СПП между кристаллом и траверсами корпуса формируют по 2 или 3 перемычки из проволоки диаметром 0,25 мм. Данная технология приводит к повышению себестоимости выпускаемых СПП.
Анализ способов и технологии монтажа внутренних соединений в СПП показал, что целесообразно использовать ленточные выводы вместо проволочных. Например, проволока диаметром 0,4 мм соответствует ленте с поперечным сечением 0,20,6 мм.
В связи с вышеизложенным, разработана конструкция инструмента для сварки ленточных выводов к контактным площадкам СПП. Инструмент для сварки (рис. 2.6) представляет собой цилиндрический стержень 1 с боковым отверстием 2 прямоугольной формы, на конусном торце которого имеется рабочая площадка 3 с продольной канавкой 4 высотой до 0,8 а и шириной до 1,2 б, где “а” – толщина, а “б” – ширина привариваемого вывода.
Рис. 2.6. Инструмент для сварки ленточных выводов СПП: а – вид со стороны подачи ленточного вывода; б – вид сбоку; в – рабочая площадка в разрезе; г – положение ленты в канавке инструмента перед сваркой: 1 – корпус инструмента; 2 – боковое отверстие; 3 – рабочая площадка; 4 – продольная канавка; 5 – привариваемая лента
Ширина канавки на рабочей площадке инструмента, составляющая до 1,2 ширины привариваемого вывода, обеспечивает центрирование вывода относительной контактной площадки при сварке.
Высота канавки, составляющая до 0,8 толщины вывода, обеспечивает необходимую деформацию вывода при сварке и исключает контактирование выступов инструмента с контактной площадкой.
Боковое отверстие для подачи привариваемого вывода, выполненное в виде прямоугольника обеспечивает перемещение вывода в зону сварки.
Инструмент работает следующим образом.
Привариваемая лента толщиной “а” и шириной “б” пропускается через боковое отверстие 2 инструмента таким образом, при котором конец ее располагается в пазу 4 рабочей площадки 3 и совмещается с контактной площадкой на кристалле. После сварки на кристалле инструмент перемещается вверх к сварке на корпусе.
При этом вывод протаскивается через боковое отверстие 2, деформируясь и образуя петлю. При небольшом превышении размеров отверстия 2 относительно размеров вывода происходит надрыв сварного соединения на кристалле. При значительном превышении надрывы исключаются, но ухудшается точность совмещения вывода относительно рабочей площадки инструмента и контактной площадкой на траверсе корпуса.
Выполнение бокового отверстия в форме прямоугольника с заданными размерами улучшает прохождение привариваемой ленты через отверстие, исключает надрывы сварного соединения при подъеме инструмента вверх после образования сварного соединения на кристалле и повышает точность подачи вывода под рабочую площадку инструмента к месту сварки на корпусе.
При сварке на кристалле или корпусе инструмент, имеющий продольную канавку на рабочей площадке высотой до 0,8 а и шириной до 1,2 б, где “а” – толщина, а “б” – ширина привариваемого вывода, обеспечивает центрирование вывода относительно контактной площадки и минимальную его деформацию, а также исключает контактирование выступов инструмента с контактной площадкой при сварке.
Сварка инструментом с продольной канавкой на рабочей площадке обеспечивает равномерную прочность сварного соединения по всей площади взаимодействия ленточного вывода с контактной площадкой кристалла или корпуса.
Таким образом, использование предлагаемого инструмента для сварки по сравнению с существующими конструкциями имеет следующие преимущества: возможность сварки ленточных выводов; способствует минимальной деформации привариваемого вывода в зоне сварки; получение равномерной прочности сварных соединений по всей площади взаимодействия вывода с контактной площадкой кристалла или корпуса; исключает контактирование выступов инструмента с контактной площадкой при сварке.
Следует отметить, что использование данной конструкции инструмента для сварки ленточных выводов возможно на установке, которая обеспечивает получение качественных сварных соединений, особенно на кристаллах СПП. Для этой цели необходимо использование специального способа сварки, позволяющего разрушать и удалять оксидные пленки с соединяемых поверхностей, а также обеспечивать необходимую пластичность материалов в зоне сварного соединения.