книги из ГПНТБ / Смирнов В.И. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре

простоты позволяет применять вместо золотой проволоки алюминиевую.

Механические методы. Когда сварное соединение осу­

Из этих методов в технологии электрических и элек­

иногда весьма нежелателен для полупроводниковых из­ делий, а также позволяет сваривать металлы с весьма широким диапазоном физико-химических свойств.

При ультразвуковой сварке активирующая энергия вводится в место соединения в форме механических ко­ лебаний ультразвуковой частоты. Тем не менее ультра­ звуковая сварка является по сути дела, процессом тер­

а значительная ее часть расходуется на генерирование тепла.

Процесс образования сцепления при ультразвуковой сварке протекает следующим образом. Вынужденные колебания одного из свариваемых элементов относитель­ но другого вдоль поверхности раздела при воздействии

90

нормального сжимающего усилия, приводят к разруше­ нию поверхностей и образованию ограниченного коли­ чества контактных пятен с чисто металлическим контак­ том. Тепло, выделяемое за счет трения скольжения по­ верхностей и переменной пластической деформации всту­ пивших в контакт микровыступов, обусловливает до­ вольно интенсивный нагрев этих выступов, их дальней­ шую деформацию и вступление в контакт все новых не­ ровностей. Температура на контактных пятнах может достигать значений, достаточных для локального сплав­ ления или рекристаллизации приповерхностных кристал­ литов наповерхности раздела с образованием общих для свариваемых элементов зерен.

Важнейшие параметры процесса ультразвуковой свар­ ки, т. е. амплитуда колебаний, их частота и длительность воздействия, а также величина усилия нажатия опре­ деляют качество и свойства сварного соединения. Так, если амплитуда ультразвуковых колебаний после воз­ никновения сцепления вызовет в микровыступах механи­ ческие напряжения, превышающие предел упругости со­ ответствующего металла, то структура зон соединения заметно изменится по сравнению со структурой исходно­ го материала, а прочность соединения из-за усталости последнего будет ниже. Частоты колебаний, при кото­ рых удается получить такого рода соединения, колеб­

точки зрения ультразвуковая сварка получается в диа­ пазоне частот колебаний от 25 до 75 кГц, в зависимости от соединяемых металлов и размеров изделия.

Длительность процесса также должна быть выбрана оптимальной. Слишком длительное воздействие ультра­ звука приводит к появлению в свариваемых проводниках микротрещин. Они становятся хрупкими или в них про­ исходят нежелательные фазовые изменения. Промышлен­ ные ультразвуковые установки позволяют регулировать время сварки от 0,1 до 6 с.

Необходимое механическое давление находится во взаимной связи с амплитудой и частотой ультразвуковых колебаний и его следует определять в зависимости от их значений. Вообще же говоря, при небольшом давлении отсутствует плотный контакт поверхностей и может не произойти разрушения окисной пленки и деформации

91

выступов. А слишком высокое давление может привести к усталости металла и непрочному соединению. Прак­

На рис. 3.20 представлено схематическое изображе­ ние ультразвуковой сварочной установки. В патроне 1

исключают друг друга. Довольно часто простой клиннаконечник ультразвуковой сварочной установки заме­

92

а также расширить совокупность материалов, сваривае­ мых термокомпрессиош-ю.

В заключение настоящей главы приведем таблицу, характеризующую особенности рассмотренных выше ме­ тодов создания постоянных электрических контактов (табл. 3.2).

4. Конструкции контактов в интегральных схемах

Любая интегральная схема выполняет лишь ограниченную функ­ цию. Поэтому законченное электронное устройство обычно содержит ряд интегральных схем, определенным образом соединенных между собой. В таком устройстве .можно различать два вида контактных соединений:

а) «внутренние» контактные соединения, находящиеся внутри корпуса интегральной схемы и осуществляющие электрическую связь между ее частями;

6} «внешние» контактные соединения, выполняемые при монтаже аппаратуры на интегральных схемах.

Одним из аспектов интеграции электронной аппаратуры яв­ ляется резкое уменьшение количества внешних соединений, выпол­ няемых при монтаже устройств, за счет осуществления этих соедине­ ний внутри .интегральных схем при их изготовлении. Внутренние контактные соединения выполняются более совершенными с точки зрения интегрально-групповой технологии и более надежными ме­ тодами. Удельный вес внутренних контактных соединений возрастает по мере повышения степени интеграции электронных и радиоэлек­ тронных устройств. С другой стороны, внешнее контактирование интегральных схем обычно выполняется стандартными методами пайки на печатных платах, описанных в гл. 3, и не является специ­ фичным для микроэлектроники. Поэтому в настоящей главе будут рассмотрены только вопросы внутреннего контактирования в ин­ тегральных схемах.

часть гибридной интегральной схемы. Рисунок построен без со­ блюдения масштаба для большей иллюстративности. К ножке кор­ пуса 1 с помощью специального клея прикреплена подложка 2 с на­ несенными пленочными элементами 3, межсоединениями и контакт­ ными площадками 4. Контактные соединениямежду компонентами пленочной схемы представляют собой пленочные контакты 5. Навес­

с соответствующими контактными площадками подложки посред­ ством некоторого проводника 8, в данном случае — микропрово­ лочки. Оконечные контактные площадки подложки 9 соединены с вы­ водами схемы 10 при помощи проводников // . Интегральная схема помещена в корпус 12.

93

Рис. 4.1. Схематическое изображение интегральной схемы.

Очевидно, в этой схеме, как и во всех разновидностях гибридных интегральных схем, контактирование пленочных элементов подложки между собой осуществляется почти исключительно при помощи пле­

контактных узлов между навесными элементами и подложкой, а так­ же между подложкой а выводами корпуса.

4.1. Конструкции контактных узлов «подложка — навесной элемент»

Различные конструкции внутренних контактных соединений, применяемых в 'интегральных схемах на протяжении многих лет, как правило, разрабатывались применительно к отдельным схемам или технологическим условиям, что вызывало определенные трудности при их систематизации. Однако с известной степенью условности можно констатировать, что все конструкции контактных узлов, при­ меняемые для присоединения кристаллов или других навесных эле­ ментов к подложкам, являются вариациями двух основных направ­ лений монтажа — повернутого («флип— чип») и лицевого. Ниже приводится обзор наиболее распространенных конструкций контакт­ ных узлов при том и другом методе.

Заметим, что система контактных соединений, обеспечивающая электрическую (а иногда механическую и тепловую) связь навес­ ного элемента с подложкой, представляет собой совокупность оди­ наковых по конструкции узлов, каждый мз которых соединяет одну контактную площадку кристалла с соответствующей контактной пло­ щадкой подложки.

Повернутый монтаж. Повернутый монтаж обеспечивает непосред­ ственное электрическое и механическое соединение контактных пло­ щадок полупроводникового кристалла или навесного пассивного эле­ мента с соответствующими контактными площадками подложки, при котором навесной элемент оказывается обращенным «лицом» к под­ ложке. Очевидно, для осуществления такого контактирования необ­

94

не удается достичь нужной степени плоскостности и не все пары площадок вступают в надежный контакт. Кроме того, при харак­ терных для .микроэлектроники размерах не исключена вероятность закорачивания кристалла на металлизацию подложки. Поэтому со­ единение контактных площадок при повернутом монтаже выполняет­ ся с использованием некоторого промежуточного звена.

таллы, однако, обнаруживают весьма слабую адгезию к тем мате­ риалам, которые обычно используются для изготовления подложек и полупроводниковых навесных элементов (например, ситалл, стекло, кремний я двуокись кремния). Поэтому золотые и серебряные пленки следует осаждать на предварительно нанесенные подслои, обеспе­ чивающие лучшую адгезию. В качестве подслоя для золотых пленок

95

следует использовать хром или пла­ тину, а для серебряных — палладий. Толщина подслоя должна быть не­

большой — 50... 300 А.

Шариковые контакты. Более тех­ нологичной конструкцией контактного узла при повернутом монтаже явля­ ется конструкция с шариковыми кон­ тактами [42, 43]. На рис. 4.3 изобра­ жен вариант такой конструкции, пре­ дусматривающий соединение пайкой. В этом варианте на контактные пло­

из металла контактной площадки или в виде многослойной структуры. Та­ кие выступы условно называют шари­ ками. Затем на выступы наносят определенные порции оловянно-свин- цового припоя 7. Эти выступы приво­ дят в контакт с соответствующими контактными площадками 8 подлож­ ки / и нагревают до образования паяного соединения. Для выполнения надежного соединения необходимо, чтобы металлизация подложки и по­ следний слой шарика обладали хоро­ шей паяемостыо. Чаще всего их изго­ товляют из золота, электроосаждепного или нанесенного вакуумными ме­ тодами.

бого поставщика, не предусматривающего на своих изделиях таких контактов.

Шариковые контакты с контролируемой деформацией. Описан­ ным выше конструкциям контактных узлов с жесткими шариками

96

Применение балочных выводов позволяет изготавливать интег­ ральные схемы с так называемой воздушной изоляцией [45]. Состав­ ные части такой схемы сначала создаются методами полупроводни­ ковой технологии в едином кристалле. На поверхности этого кри­

[48] (рис. 4.8,6). Материал вспомогательной подложки должен быть термически стойким, чтобы выдержать температуру приварки ра­ мочки к контактным площадкам кристалла. Вместе с тем подложка должна легко растворяться в каком-либо растворителе, который не

Рис. 4.8. Выводные рамочки:

а — фольговые; б— нанесенные на гибкую подложку.

влияет на другие материалы, входящие в конструкцию прибора. Внутренние концы выводов рамочки приваривают к контактным площадкам кристалла, затем обрезают рамочку или растворяют гибкую подложку и приваривают вторые концы к металлизации подложки (рис. 4.9). Преимуществом контактирования выводной рамочкой является возможность визуального контроля с помощью

98