9.5. Монтаж гибридных ис и микросборок
Монтаж активных элементов включает установку, пайку и/или приварку к пленочной пассивной части ИС. В зависимости от того, какие выводы имеют активные элементы (жесткие или гибкие), их монтаж ведется различными методами. В последнее время все шире используется метод монтажа кристаллов с твердыми выводами, обеспечивающий возможность широкой автоматизации процессов сборки.
Независимо от применяемой технологии присоединения, всегда производится совмещение контактных выступов на кристалле с контактными площадками на плате, после чего контакты соединяются пайкой или сваркой.
Для успешной сборки гибридных ИС следует выполнить, по крайней мере, следующие условия:
предусмотреть возможность удаления неисправного кристалла и его замену после электрических испытаний;
обеспечить устойчивость ИС к высоким температурам, возникающим в момент пайки и сварки при герметизации корпуса;
создать надежный электрический и механический контакты в месте соединения кристалла с платой.
Наиболее распространенный метод монтажа – метод перевернутого кристалла, состоящий в беспроволочном монтаже кристаллов путем расположения их «лицом» к плате.
Для простоты монтажа целесообразно контактные выводы изготовлять несколько приподнятыми над поверхностью кристалла ИС с тем, чтобы избежать влияния неровностей платы.
Высота приподнятого вывода:
;
(9.1)
здесь hкр, hпл – высота неровностей кристалла и платы; Δhв – максимальный разброс высоты выводов.
Высота выводов, применяемых в технологии ИС, составляет:
для кремниевых кристаллов 3-5 мкм;
для керамических плат 18-20 мкм;
для стеклянных плат 8-10 мкм.
При этом диаметр выводов обычно не превышает 50-100 мкм.
При монтаже кристаллов на плату с помощью медных шариковых выводов последние покрывают припоем (облуживают). Диаметр шариков должен превышать шероховатость платы в несколько раз. Обычно он составляет ~0,08 мм. Шариковые выводы, выступающие над поверхностью кристалла, присоединяют к контактным площадкам на плате. После этого кристалл и плату нагревают и припой растекается по поверхности, ликвидируя неровности и образуя спай.
Сила поверхностного натяжения припоя сдвигает кристалл в нужное положение даже в том случае, если первоначально он был установлен не совсем точно.
Неисправный кристалл ИС можно удалить с помощью нагреваемой вакуумной присоски с разогретым наконечником. На место неисправного устанавливается новый кристалл. Далее процесс припайки повторяется.
Вместо шариковых выводов можно использовать балочные выводы, создаваемые методами ФЛ. Для балочных выводов было предложено применять спаи индия с медью, где индий служит временным припоем, обеспечивающим контакт для проведения электрических испытаний. После проведения успешных испытаний вся плата нагревается, и индий, диффундируя в медь, образует сплав, температура плавления которого ~700ºC. Такой спай остается достаточно прочным до температуры – 500-600ºC.
Балочные выводы должны на 200-250 мкм выступать над поверхностью кристаллов, которые монтируются к контактным площадкам платы и помещаются в печь для пайки. После охлаждения прочность соединения испытывается воздушным ударом струи воздуха давлением 2,5·106 Па. Присоединение балочных выводов к контактным площадкам можно производить не только пайкой, но и сваркой. Часто используют ультразвуковую сварку с частотой сигнала 60 кГц, мощностью 2 Вт, длительностью 0,3 с при усилии 1,7 Н.
При сборке методом совмещения возникает ряд технических сложностей. Например, проблемой является точная дозировка энергии, необходимой для осуществления надежного крепления выводов ИС. Недостаточная по значению энергия может привести или к плохому контакту, или к тому, что некоторые выступы останутся вообще не присоединенными к контактным площадкам на плате. Приложение избыточной энергии может наоборот сдавить металлизацию настолько, что зазор исчезнет, вызвав замыкание или же привести к растрескиванию всего полупроводникового кристалла.
Необходимо также, чтобы температурный коэффициент расширения платы ТКР по возможности совпадал с ТКР кремния. При значительном расхождении в значениях ТКР температурные изменения могут вызвать растрескивание кристалла или сдвиг, и даже обрыв контакта, что особенно неблагоприятно для больших гибридных ИС.
Перечень указанных проблем позволяет считать сборку посредством гибких проволочных выводов конкурентоспособной с методами жесткого монтажа.
Метод монтажа совмещением обеспечивает возможность объединения отдельных ИС в сложные подсистемы, которые могут содержать тысячи элементов, заключенных в один корпус.