- •Оглавление
- •1. Монтаж полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов 10
- •2. Бессвинцовая пайка в технологии производства ппи 57
- •3. Проволочный монтаж в производстве ппи 102
- •4. Групповой монтаж в технологии производства ппи 184
- •5. Контроль качества внутренних соединений ппи 218
- •Введение
- •1. Монтаж полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов
- •1.1. Пайка кристаллов
- •Оборудование для монтажа кристаллов
- •1.2. Групповая термоимпульсная пайка кристаллов
- •1.3. Оценка смачиваемости и растекания припоя по паяемой поверхности
- •1.4. Заполнение припоем капиллярного зазора между кристаллом и корпусом при пайке
- •1.5. Посадка на клей
- •Оборудование для клеевых соединений
- •2. Бессвинцовая пайка в технологии производства ппи
- •2.1. Недостатки Pb-Sn припоев
- •2.2. Экологические аспекты проблемы бессвинцовой пайки изделий микроэлектроники
- •2.2.1. Токсикологическая оценка металлов, входящих в состав припоев и покрытий для бессвинцовой пайки
- •2.2.2. Экологическая оценка припоев пос40 (40Sn/60Pb) и бессвинцового 95,5Sn/4Ag/0,5Cu
- •2.3. Покрытия для бессвинцовой пайки
- •2.3.1. Цинковое покрытие
- •2.3.2. Олово – висмутовое покрытие
- •2.3.3. Оловянное покрытие
- •2.3.4. Никелевое покрытие
- •2.3.5. Сплав никель – олово
- •2.3.6. Серебряное покрытие
- •2.4. Бессвинцовые припои в технологии производства ппи
- •2.4.1. Индиевые припои
- •2.4.2. Висмутовые припои
- •2.4.3. Припои на цинковой основе
- •2.4.4. Припои на основе олова
- •2.5. Пайка кристаллов к основаниям корпусов ппи
- •2.5.1. Пайка кристаллов ппи на основания корпусов с образованием эвтектики Si-Au
- •2.5.1.1. Свойства золота
- •2.5.1.2. Подготовка золотой фольги и позолоченных корпусов ппи к сборочным операциям
- •2.5.1.3. Остаточные механические напряжения в кристаллах при эвтектической пайке Si-Au
- •2.5.1.4. Новый способ подготовки золотой прокладки к пайке
- •2.5.2. Пайка кристаллов ппи на основания корпусов с образованием эвтектики Sn-Zn
- •Возможные варианты пайки кристаллов на эвтектику Sn-Zn
- •3. Проволочный монтаж в производстве ппи
- •3.1. Способы присоединения проволочных выводов
- •3.1.1. Термокомпрессионная микросварка
- •3.1.2. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (скин)
- •3.1.3. Ультразвуковая микросварка
- •3.1.4. Односторонняя контактная сварка
- •3.1.5. Пайка электродных выводов
- •Оборудование для присоединения проволочных выводов
- •3.2. Влияние состава алюминиевой металлизации на качество микросварных соединений Al-Al
- •3.2.1. Повышение качества микросоединений, выполненных узс
- •3.2.2. Повышение качества микросоединений, выполненных ткс
- •3.3. Микросварные соединения алюминиевой проволоки с алюминиевым гальваническим покрытием корпусов изделий электронной техники
- •3.3.1. Алюминиевые покрытия, полученные электролитическим методом
- •3.3.2. Влияние свойств покрытия на качество соединений с алюминиевой проволокой при термокомпрессионной сварке
- •3.3.3. Коррозионная стойкость микросоединений Alп-Alг
- •3.4. Исследование микросварных соединений алюминиевой проволоки с золотым гальваническим покрытием корпусов изделий электронной техники
- •3.4.1. Микросварные соединения Al-Au
- •3.4.2. Термоэлектротренировка микросварных контактов Al-Au
- •3.4.3. Повышение коррозионной стойкости микросоединений Al-Au
- •3.5. Микросварные соединения алюминиевой проволоки в корпусах ппи с покрытиями из никеля и его сплавов
- •3.5.1. Микросварные соединения к корпусам с покрытиями Ni и его сплавами
- •3.5.2. Стойкость микросварных соединений Аl-Ni к температурным воздействиям и под токовой нагрузкой
- •3.5.3. Свариваемость алюминиевой проволоки с никель-бор покрытием при термообработке
- •3.6. Оптимизация режима ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки с серебряным гальваническим покрытием корпусных деталей спп
- •3.6.1. Серебряное покрытие
- •3.6.2. Подготовка корпусов с серебряным покрытием к сборочным операциям
- •3.6.3. Выбор оптимального режима узс соединения Al-Ag
- •4. Групповой монтаж в технологии производства ппи
- •4.1. Пайка полупроводниковых кристаллов с объемными выводами к основаниям корпусов методом «flip-chip»
- •4.1.1. Изготовление шариков припоя и размещение их на кристалле
- •4.1.2. Изготовление столбиковых припойных выводов
- •4.1.3. Формирование шариковых выводов оплавлением проволоки
- •4.1.4. Пайка кристаллов со столбиковыми выводами на контактные площадки
- •4.2. Сборка ппи с паучковыми выводами
- •Особенности монтажа внутренних выводов бис и сбис
- •5. Контроль качества внутренних соединений ппи
- •5.1. Контроль качества паяных соединений
- •5.2. Особенности оценки прочности соединения кристалла с основанием корпуса
- •5.2.1. Контроль качества соединений кристаллов с основаниями корпусов
- •5.2.2. Оценка прочности соединения кристалла с основанием корпуса
- •1 2 3 4 5 6 7 Площадь кристалла, мм2 9,47
- •5.3. Разработка методики оценки прочности микросоединений в изделиях силовой электроники
- •5.4. Контроль прочности микросоединений бис и сбис
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
4. Групповой монтаж в технологии производства ппи
В производстве радиоэлектронной аппаратуры широко используются сверхбольшие и сверхскоростные ИС. В данных ИС помимо роста степени интеграции, функциональной сложности, быстродействия и размеров кристалла резко возрастает число контактных микросоединений.
Технология «flip-chip» – присоединение перевернутых кристаллов с объемными выводами к основаниям корпусов или подложкам получила широкое распространение в современной отечественной и зарубежной микроэлектронике.
Данный метод имеет следующие преимущества перед другими:
1. Снимает связанные со сборкой ограничения для кристаллов с субмикронными топологическими размерами.
2. Открывает новые возможности в миниатюризации ППИ благодаря ряду компоновочных и конструктивных особенностей.
Совершенствование технологии «flip-chip» и оборудования для сборки ППИ данным способом позволит в определенной степени нейтрализовать известное отставание отечественного производства при выпуске современных изделий микроэлектроники.
С увеличением числа выводов и размеров кристалла значительно увеличиваются габариты корпусов и длина межсоединений, а вследствие этого, значения сопротивлений, индуктивностей и емкостей.
Методы сборки многовыводных СБИС в металлокерамические (пластмассовые) корпуса с помощью ТКС или УЗС проволочных выводов имеют ряд принципиальных ограничений дальнейшего развития.
В связи с вышеизложенным, в 80-е годы возникла необходимость разработки альтернативных методов сборки. Ведущие зарубежные фирмы (General Electric, Sharp, Toshiba и др.) наиболее перспективным считают метод групповой сборки пауковых выводов к кристаллам ИС. Этот метод получил название АСЛН (автоматизированная сборка на ленте носителе).
4.1. Пайка полупроводниковых кристаллов с объемными выводами к основаниям корпусов методом «flip-chip»
Применение монтажа полупроводникового кристалла на основание корпуса или плату методом «flip-chip» позволяет полностью автоматизировать процесс сборки. Основу метода перевернутого кристалла составляют объемные столбиковые выводы, располагаемые на металлизированных контактных площадках кристаллов ППИ.
В настоящее время при сборке по технологии «flip-chip» используются в основном два варианта формирования объемных выводов на кристалле:
1. Изготовление столбиковых припойных выводов.
2. Получение шариковых выводов оплавлением проволоки.
4.1.1. Изготовление шариков припоя и размещение их на кристалле
Для изготовления шариков припоя диаметром 0,025-0,2 мм используется установка, которая содержит нагреватель, резервуар с жидким припоем, эжекторную камеру, эжектор с соплом, электронную схему управления эжектором, обеспечивающим выдачу сигналов с частотой 2-100 кГц. Для предохранения припоя от окисления в установке используется инертный рабочий газ. При работе на частоте 15 кГц и скорости газа 3,5 м/с получаются шарики припоя диаметром 0,08-0,1 мм, следующие один за другим с небольшим интервалом.
Для формирования на кристалле более 600 контактных выступов с использованием шариков из припоя диаметром 0,4 мм, а также свыше 500 контактных выступов из шариков диаметром 0,25 мм используется специальная автоматическая установка.
Формирование на контактных площадках кристалла припойных выступов, имеющих однородность по высоте, при невысокой стоимости и хорошей производительности осуществляется на специальной установке. Установка включает в себя держатель кристаллов, устройство нанесения на их площадки флюса, резервуар с шариками припоя диаметром 0,125 мм. На перемещающемся вертикально и вращающемся рычаге закреплен вакуумный захват, рабочая поверхность которого имеет набор отверстий для удерживания шариков припоя. Расположение отверстий точно соответствует расположению контактных площадок на кристалле. Перенос шариков на кристалл осуществляется захватом из резервуара. При нагреве кристаллов до температуры плавления шариков припоя образуются припойные выступы.
Размещение и крепление на контактных площадках керамической подложки шариков из припоя осуществляется следующим способом: вначале шарики устанавливают в лунках прецизионно обработанной графитовой пластины с помощью вакуума, подаваемого к лункам через сквозные отверстия; затем, используя маску из стальной фольги, на шарики сверху наносится паста из того же состава припоя; после этого производится совмещение пластины с подложкой с помощью юстировочной платы. Удалив плату, подложка и пластина поступают в печь для пайки при заданной температуре. При этом припойная паста при расплавлении корректирует положение шариков относительно контактных площадок.
Захват и прецизионное размещение шариков припоя на контактных площадках подложки или кристалла ППИ осуществляется при помощи специального устройства. Устройство содержит рабочий столик, на котором располагается кассета с шариками, перемещающуюся вертикально монтажную головку, имеющую набор инструментов в виде вертикально смонтированных трубочек наружным диаметром 0,875 мм и внутренним диаметром 0,3 мм. Трубочки служат для захвата шариков припоя диаметром 0,76 мм с помощью вакуума.
Перенос токопроводящих шариков припоя на контактные площадки кристалла может осуществляться с помощью переводной пластины из кремния. Пластина имеет углубления трапециевидной в сечении формы, по расположению точно соответствующими позициями площадок на Si-пластине со структурами ППИ. После оксидирования поверхности переводной пластины в ее полости укладываются шарики припоя, а затем на нее сверху кладется пластина с ППИ, площадки которых имеют золоченную поверхность с подслоями Сu и Cr. При нагреве сборки и расплавления припоя шарики переходят на контактные площадки ППИ в форме припойных выступов. Высокая точность переноса шариков припоя достигается применением одинакового материала пластин (Si), не приводящего к рассовмещению площадок и полостей при их совместном нагреве.
Монтаж шарика припоя на контактную площадку кристалла ИС подложки осуществляется с помощью специального инструмента в виде цилиндрического стержня со скошенной на угол 45 нижней частью. Инструмент изготовлен из W или Ti, WC, Al2O3. На плоском рабочем торце инструмента имеется выемка, размеры которой определяют объем захватываемого припоя. Вдоль оси инструмента может быть капилляр для подвода энергии с целью подогрева шарика припоя. Инструмент также используется при реставрации ППИ и многокристальных модулей.
Для формирования шариковых контактов на подложке, используемой для обращенного монтажа нескольких кристаллов ППИ, используется специальная пластина из несмачиваемого припоем материала, например алюминия, содержащая матрицу полусферических углублений, расположенных соответственно контактным площадкам на подложке. В углублениях пластины размещают шарики из припоя. Затем подложка накладывается на пластину с высокой точностью совмещения ее контактных площадок с шариками, которые присоединяются к ним термокомпрессионной сваркой или пайкой.
Известен планаризации шариковых припойных выводов, расположенных на установочной поверхности безвыводного матричного корпуса ИС. Выравнивание проводится пластиной с нагревателем, имеющую тщательно обработанную и несмачиваемую припоем поверхность. Подбором величины давления, времени и температуры обеспечивается размягчение припойных шариков и их выравнивание по высоте в процессе прижатия ИС к подложке.
Для повышения надежности бескорпусной ИС и уменьшения стоимости ее изготовления рекомендуется формировать шарики припоя не на кристалле, а на плате. Последовательность технологических операций заключается в следующем: нанесение на плату металлизации и получение контактных площадок; формирование маски из слоя фоторезиста; напыление барьерного слоя металла; нанесение припойной пасты способом трафаретной печати; удаление фоторезиста и оплавление пасты с образованием одинаковых по высоте шариков припоя.