Сварка и свариваемые материалы. Том 2. Технология и оборудование

Рис. 10.9. Схема диффузионной сварки с использованием горячего иэоста-

10.4.1. Приборостроение

Характерной особенностью конструкций современных приборов и узлов электронной техники является применение прецизион­

логические возможности диффузионной сварки позволяют ши­ роко использовать этот процесс в промышленности (7, 8] при создании металлокерамических узлов, катодных узлов, вакуумплотных соединений из разнородных материалов, полупровод­ никовых систем и др. Большинство известных в настоящее время разработок в области технологии и оборудования для диффузионной сварки сделано именно в приборостроении.

В Таллиннском электротехническом институте НПО «Элект­ ротехника» создана технология производства выпрямительных

сварки в условиях непрерывной круглосуточной работы комп­ лекса.

10.4.2. Крупногабаритные заготовки и полуфабрикаты

Диффузионная сварка находит применение для изготовления крупногабаритных заготовок деталей сложной формы, получе­ ние которых механической обработкой, методами обработки давлением или литьем невозможно или неэкономично. При этом путем соединения простых по форме элементов, изготов­ ленных из стандартных полуфабрикатов, можно существенно повысить коэффициент использования металла (КИМ), а в ряде случаев получить сложные заготовки из разнородных материа­ лов, которые практически невозможно изготовить другими ме­ тодами сварки. Особенно эффективно такое применение диф­ фузионной сварки в опытном и мелкосерийном производстве.

При этом чаще всего используются открытые прессы в сочета­ нии с герметизированными контейнерами (рис. 10.10).

С помощью диффузионной сварки получают крупногабарит­ ные толстые многослойные заготовки, из которых затем изго­ тавливают прокаткой слоистые композиционные листы.

10.4.3. Совмещение сварки с формообразованием

Многослойные тонкостенные конструкции типа панелей из ти­ тановых или алюминиевых сплавов с наполнителем сложной формы (гофры, соты, ребра и др.) получают методом совме­ щения диффузионной сварки и формообразования в режиме сверхпластичности.

Листовые заготовки сложной панели предварительно сва­ ривают в необходимых местах в плоском пакете. С этой целью на поверхность листов перед сборкой пакета наносят барьер­ ное покрытие. Собранный пакет герметизируют по контуру, вакуумируют и осуществляют диффузионную сварку, а затем во внутреннюю полость подается газ или жидкость, заготовка раздувается и принимает форму внутренней поверхности мат­ рицы (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Схема получения многослойной панели методом совмещения диффузионной сварки с формообразованием (SPD/DB-процесс) 19]:

1 — подготовка к сварке; 2 — сварка пакета; 3 — формование панели; .4 — окончатель­ ная форма детали

10.5. Контроль качества

Основными типами дефектов сварного соединения являются: непровар, т. е. отсутствие соединения в отдельных участках контакта (дефекты 1-го типа), мелкие сферические поры, рас­ положенные в теле общих зерен, которые образовались в зоне контактирования (дефекты 2-го типа), и плоскоориентирован­

ная межфазная граница.

Особенностью дефектов является то, что они располагаются вдоль бывшей поверхности контактирования, а величина рас­ крытия непроваров и размеры пор, как правило, невелики. Это затрудняет применение традиционных неразрушающих методов для их выявления. Наиболее перспективными методами нераз­ рушающего контроля являются ультразвуковые методы, а также метод акустической эмиссии.

Гл а в а 11. ТЕРМ ОКОМПРЕССИОННАЯ СВАРКА

11.1.Общие сведения

Появление новой отрасли промышленности — микроэлектроники потребовало разработки новых способов сварки — термокомпрессии и сварки косвенным импульсным нагревом (СКИН). Они являются основными методами для при­ соединения тонких проводников (выводов) к напыленным на полупроводнико­ вую или керамическую пластинку (подложку) пленкам в полупроводниковых приборах, гибридных и интегральных микросхемах. В данной главе рассмот­ рены терминология, основные схемы, физические основы процесса, технология, оборудование, промышленное применение и контроль качества. Ряд вопро­ сов освещен кратко. В этих случаях рекомендуются работы [1—15].

11.1-1. Определения, терминология и основные схемы

Термокомпрессия — это способ соединения металлов с металлами и неметал­ лами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давле­ ниях [1—3, 5, 6—8]. По терминологии, которая принята в области сварки (ГОСТ 2601—84), более правильно термокомпрессию называть микросваркой давлением с подогревом соединяемых деталей.

Термокомпресснонная сварка является наиболее широко применяемым

ладать достаточно высокой пластичностью. Температура при термокомпрессии не превышает температуры образования эвтектики соединяемых материалов и обычно равна температуре отпуска или отжига более пластичного металла.

Разновидностью способа сварки давлением с подогревом является сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН) [1—3, 5]. В способе СКИН в отличие от термокомпрессии инструмент (пуансон) импульсно нагре­ вается проходящим по нему током. Из-за кратковременности процесса на­ грева металлический проводник в месте контакта может нагреваться до более высоких температур, чем при термокомпрессии. Это дает возможность прива­ р и в а т ь проводники из относительно малопластичных металлов к тонким плен­ кам на керамических подложках.

Разновидности термокомпрессионной сварки могут быть классифициро­ ваны по трем основным признакам: по способу нагрева, по способу выполне­ ния соединения и по типу образующегося соединения, обусловленного формой применяемого инструмента [1—3, 6—8].

Подвод тепла в зону сварки осуществляют тремя способами: нагрев только рабочего столика, нагрев рабочего инструмента, одновременный нагрев рабочего столика и инструмента (рис. 11.1).

Применяют следующие способы выполнения соединений при термокомпрес­

тактную площадку. Ось вывода располагают параллельно плоскости контакт­ ной площадки, а вывод подают под инструмент сбоку через специальную

скости контактной площадки) предварительно оплавляют. Диаметр образую-

РНс. 11.1. Разновидности термокомпрессии в зависимости от способа нагрева:

0 нагрев тоЛько рабочего столика; б — нагрев рабочего инструмента; в — одновременный нагрев рабочего столика и инструмента; 1 — рабочий инстру­ мент (пуансон); 2.— присоединяемый проводник; 3 — подложка или кристалл по­ лупроводникового прибора; 4 — рабочий столик; 5 — спираль для нагрева

этом форма торца рабочего инструмента может быть плоской, с поперечной, продольной или крестообразной канавкой и с выступом. Широкое применение нашли капилляры с центральным отверстием и с боковой подачей. В тех слу­ чаях, когда недопустим общий нагрев свариваемых деталей, применяется ми­ кросварка давлением с косвенным импульсным нагревом V-образным инстру­ ментом, имеющим в нижней рабочей части перемычку уменьшенного сече­ ния [1—3] (рис. 11.5).

11.1.2. Технологические возможности

Размеры свариваемых изделий

Методом термокомпрессии и СКИН присоединяются золотые, алюминиевые и медные проводники 010—150 мкм к разнооб­ разным пленкам, напыленным на диэлектрические или полу­ проводниковые подложки [1, 2, 3, 5].

Выполнение неразъемных соединений в полупроводниковых приборах имеет ряд специфических особенностей: большая разница толщин соединяемых изделий — металлические провод­ ники толщиной (или диаметром) 10—150 мкм должны прива­ риваться к тонким пленкам (0,5—5 мкм), нанесенным на диэ­ лектрические, полупроводниковые или металлические под­ ложки [8].

Свариваемость однородных и разнородных материалов

Все соединяемые материалы при термокомпрессионной сварке и СКИН по свариваемости можно разделить на три группы [1, 6]:

1.Металлы с хорошей взаимной диффузией в твердом со­ стоянии, образующие ряд твердых растворов (Ag—Au, Au— Си); они обладают наилучшей свариваемостью при соедине­ нии термокомпрессией и СКИН.

2.Материалы, образующие между собой низкотемператур­

ные эвтектики (А1—Si, Au—Si); они обладают удовлетвори­ тельной свариваемостью.

3. Металлы, взаимная диффузия которых приводит к обра­ зованию интерметаллических соединений и эвтектик (Au—А1, Au—Sn); они обладают хорошей свариваемостью, но при их соединении требуется более тщательное соблюдение рекомендо­ ванных параметров режимов сварки.

Характеристики свариваемости некоторых сочетаний мате­ риалов при термокомпрессии и СКИН приведены в табл. 11.1 [1, 3].

11.2. Технология

11.2.1. Требования к конструкции соединений

При термокомпрессионной сварке и СКИН применяются сое­ динения внахлестку и встык. К нахлесточным соединениям предъ­ являются следующие требования [1, 6, 7]: конфигурация соеди­ нения должна зависеть от формы наконечника инструмента; размер торца иглы должен быть не меньше двух диаметров вывода, чтобы избежать неравномерной деформации его при сварке; длина деформированного участка проволоки должна быть не менее двух ее диаметров; при сварке краем капилляр­ ного инструмента диаметр его торца должен быть не менее 4,5—5,5 диаметра проволоки, при этом ширина кольца капил­ лярного наконечника равна 1,5—2 диаметрам проволоки, а диа­ метр отверстия капилляра составляет 1,5 диаметра проволоки.

К стыковым соединениям предъявляются следующие требо­ вания [6, 7]: диаметр оплавленного конца вывода (шарика) должен составлять два диаметра проволоки; относительная де­ формация оплавленного шарика не должна превышать 75 %; диаметр соединения должен определяться размерами контакт­ ной площадки прибора; минимальный размер контактной пло­ щадки на приборе должен быть больше диаметра соединения на величину точности его постановки.

1 1 .2 .2 . Подготовка поверхностей

Качество сварных соединений при термокомпрессии и СКИН в значительной степени определяется состоянием поверхности свариваемых элементов. Это особенно заметно при соединении проводников с тонкими напыленными пленками. Наиболее ка­ чественные соединения методом термокомпрессии и СКИН можно получить при сварке проводников с металлическими пленками непосредственно после их напыления на полупровод­ никовые пластины [6].

Известны четыре основных вида возможных загрязнений свариваемых материалов [5]:

1.Химически не связанные с поверхностью механические загрязнения (пыль и различные мелкие частицы).

2.Химически связанные с поверхностью загрязнения (оксид­ ные; нитридные и другие пленки), образующиеся при химиче­ ской и термической обработке свариваемых элементов, при хранении.

3.Загрязнения в виде органических соединений (жировые пятна, остатки фоторезиста и воска).

4.Ионные загрязнения (от предварительной химической об­ работки в щелочах, кислотах или солях, остатки флюса).

При производстве микроэлектронных приборов применяют четыре основных метода удаления загрязнений с поверхности

лотной или щелочной обработкой).

5. Механическое воздействие с целью удаления частиц за­ грязнений потоком жидкости или газа (например, удаление пылинок струей жидкости или в ванне с жидкостью при воз­ действии ультразвуковых колебаний).

Наиболее эффективными методами очистки являются уль­ тразвуковая, паровая и очистка пульсирующим распылением [5]. Очистка полупроводниковых кристаллов и элементов сбо­ рок выполняется в герметичной камере специальной установки. Обычно конструкция камеры обеспечивает проведение объем­ ной обработки горячим или холодным растворителем, паровой

ипульверизационной очистки.

11.2.3.Применение покрытий (металлизация)

Подложки являются конструктивной основой гибридных инте­ гральных микросхем. Они оказывают существенное влияние на параметры тонких пленок и на надежность всей схемы. Основ­ ными материалами, которые используются для подложек, яв­ ляются стекло, ситалл и керамика.

В основе методов нанесения тонких пленок (золотых или алюминиевых) на подложки, в том числе и на поверхность кремния и германия, лежит термическое испарение веществ в вакууме, катодное распыление, распыление ионной бомбар­ дировкой, химическое осаждение из газовой фазы. При изго­ товлении полупроводниковых приборов и интегральных микро­ схем особенно широко используют нанесение пленок методом катодного распыления.

1 1 .2 .4 . Выбор параметров режима

Основными параметрами режима при термокомпрессии и СКИН являются усилие сжатия (давление р), температура на­ грева соединяемых материалов или инструмента Т и длитель­ ность выдержки t под давлением (1—3, 5—91. Выбор усилия сжатия (давления) определяется допустимой деформацией при­ соединяемого вывода (обычно 30—60 %) и допустимым меха­ ническим воздействием на полупроводниковый прибор [1—3,