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

Это позволяет избегать сильной деформации пленочных проводни­ ков. Применение выводных рамочек допускает сваривание кристалла с ними перед креплением его на подложке (рис. 4.12,6).

Балочные выводы. При утопленном положении кристалла в под­ ложке для электрического контактирования их могут использовать­ ся описанные выше балочные выводы (рис. 4.13), что приводит к со-

Рис. 4.12. Соединение при помощи гибкой подложки:

крашению количества необходимых сварных соединений на половину по сравнению с проволочным и рамочным методами контактирова­ ния.

100

сталл.

ких пленок требует наличия плоской поверхности между контактны­ ми площадками кристалла и подложки. Ступеньки или неровности этой поверхности, существенно превышающие по высоте толщину нано­ симой пленки, непременно приведут к нарушению непрерывности последней. Для обеспечения плоскостности поверхности практикует­ ся либо «опускание» лицевой грани кристалла, содержащей кон­ тактные площадки, до уровня контактных площадок подложки, либо «поднятие» контактных площадок последней до уровня лицевой гра­ ни кристалла. Пример осуществления первого варианта показан на рис. 4.14. В подложке / имеются полости, глубина которых равна высоте кристалла 2. Оставшееся вокруг кристалла после его поме­ щения в углубление пространство заполняется смолой 5 с подхо­ дящим температурным коэффициентом объемного расширения, и на образовавшейся непрерывной поверхности стандартными методами вакуумной технологии наносят соединительные полоски 3 нужной конфигурации.

Воплощением второго решения является конструкция типа по­

осаждаются сравнительно высокие медные «пьедесталы» 4, высота которых равна высоте полупроводникового кристалла. Затем под­ ложка покрывается слоем термолластика фторопластового типа 3 такой высоты, чтобы остались непокрытыми верхние грани высту­ пов. Нагревая систему до температуры размягчения пластика, в него вдавливают полупроводниковые кристаллы 6. Таким образом, кон­ тактные площадки кристалла, верхние грани медных выступов и по­ верхность пластика находятся в одной плоскости. На эту плоскость вакуумными методами наносятся соединительные металлические пленки 5.

Упаковка и внешние соединения интегральных схем. После вы­ полнения внутренних соединений интегральную схему обычно поме­ щают в корпус, обеспечивающий герметичность устройства, его за­ щиту от механических 'воздействий и имеющий сравнительно мас­ сивные выводы, более подходящие для контактирования с печатной платой, чем тонкие, непрочные и миниатюрные контактные пло­ щадки подложки. Чаще всего применяются три основных типа упа­

101

контактные площадки соединяют с золочеными коваровыми выво­ дами посредством тонких золотых проволочек 5. В случае полу­ проводниковых интегральных схем может применяться и поверну­ тый монтаж с использованием любой из приведенных выше кон­

и приваривают его к основанию корпуса электронно-лучевой или

Из приведенных наиболее распростра­ ненных трех типов упаковок первый отличается дешевизной, просто­ той конструкции и позволяет использовать уже существующие у изготовителей полупроводниковых изделий оборудование. Однако этот тип характеризуется меньшей плотностью монтажа на печатной плате, чем в случае плоских упаковок. Для второго типа корпусов характерны меньшие габариты и вес и соответственно большая плот­ ность монтажа. Третий же тип упаковок оказывается более пригод-4 ным для монтажа больших систем, например устройств вычислитель­ ной техники.

102

4.2. Классификация и сравнительная характеристика конструкций контактов в интегральных схемах

Разумеется, приведенный в предыдущем параграфе обзор кон­ струкций контактных узлов, применяемых в интегральных схемах, не является исчерпывающим. Однако эти конструкции конкретизиру­ ют основные тенденции, наблюдаемые в этой области. Встречаю­ щиеся на практике другие конструкции являются в той или иной

Типы контактных узлов. Контактный узел состоит из двух ме­ таллических пленок, например контактных площадок кристалла и модуля мли подложки, связанных посредством некоторого проме­ жуточного звена. Обычно в соответствии с этим звеном конструкции присваивается то или иное название, например: шариковая, прово­ лочная, рамочная я т. д.

Практически все широко распространенные конструкции кон­ тактных узлов можно привести к четырем обобщенным типам [53], показанным схематически на рис. 4.19. В различных вариантах пер­ вого типа (проволочная, ленточная и рамочная) используются довольно протяженные промежуточные звенья, деформируемые в по­

Рис. 4.19. Типы контактных узлов.

перечном направлении и соответственно не требующие совпадения плоскостей соединяемых площадок. Второй тип характеризуется недеформирующимися, обычно пленочными, промежуточными звеньями, а также тем, что контактные площадки должны нахо­ диться в одной плоскости и быть неподвижными относительно друг

струкции третьего типа аналогичны первому, с той лишь разницей, что соединяемые детали, например подложка и навесной элемент, находятся по обе стороны от промежуточного звена. К ним относят­ ся паучкова'я и балочная конструкции при перевернутом положении навесного элемента к подложке. Такое же положение кристалла по отношению к подложке свойственно узлам четвертого типа, в кото­ рых, однако, используются промежуточные звенья малой протяжен­ ности, работающие на осевую нагрузку. Это — шариковая конструк­ ция, конструкция с медным шариком и шариковые контакты с конт­ ролируемой деформацией,

103

Классификация конструкций контактных узлов. Рассмотрим

кристалла с подложкой. Последнее осуществляется с использова­ нием приборов инфракрасного излучения или специальных устройств, прозрачных или полупрозрачных подложек.

В конструкциях с повернутым монтажом (типа III и IV) меха­ ническое соединение полупроводникового кристалла с подложкой обеспечивается только узлами контактной конструкции, ее сварными или паяными соединениями. Поэтому последние должны быть до­ статочно прочными. Кроме того, в этих конструкциях отсутствует непосредственный тепловой контакт кристалла с подложкой, и един­ ственный путь отвода тепла проходит через контактную конструк­ цию. Поэтому диффузионным, физико-химическим и другим темпе­

ев предъявляет жесткие требования к допускам на размеры этих эле­ ментов, на расстояния между ними и на неровность поверхностей подложки и кристалла. Это объясняется тем, что большие откло­ нения этих размеров от заданных могут привести к нарушению контакта некоторых шариков с соответствующими контактными пло­ щадками. Обратимся к схематическому изображению такого кон­ тактного узла [54], приведенному на рис. 4.20. Если максимальная высота неровностей на поверхности подложки равна As, а на по­ верхности кристалла Ас и максимальное отклонение высоты шари­

&b+Ac+As>d,

104

i\ae d — деформация единичного шарика при температуре й Да'Э'

Ленин термокомпрессионного или ультразвукового сварочного про­ цесса.

Для обеспечения надежности соединения шариковыми контакта­ ми последние должны быть изготовлены из достаточно пластичного металла, например золота, серебра или алюминия, а поверхности подложки и кристалла не должны содержать неровностей, превы­ шающих 3 мкм [51].

Пролетные же соединения значительно менее требовательны к точности изготовления, совмещения и чистоте обработки поверх­ ности подложки. Надежные соединения с балочными выводами, например, могут быть выполнены при наличии на поверхности под­ ложки неровностей до 15 мкм [51].

Существенным недостатком опорных конструкций является не­ обходимость нагрева всего кристалла до соответствующей темпе­ ратуры в процессе контактирования. В пролетных же конструкциях кристалл нагревается лишь локально в месте сварки проволочки или выводной рамочки, либо весьма незначительно, в случае ба­ лочных выводов, а при применении металлизациоиного соединения совсем не нагревается.

С другой стороны, .пролетный проводник за счет его сравни­ тельно большой длины обладает заметными собственными емкостью и индуктивностью, что может влиять на работу схемы в диапазоне высоких частот.

Механические свойства конструкции. Характер механической связи в конструкции может быть жестким, не допускающим значи­ тельной упругой или пластической деформации промежуточного звена при возникновении' в системе механических напряжений, или гибким, допускающим малые перемещения кристалла относительно подложки при возникновении таких напряжений.

Все конструкции с лицевым монтажом (типы I и II) относятся к разряду жестких, так как в этих конструкциях масса полупро­ водникового кристалла образует с подложкой жесткое механическое

(тип IV), обусловлена конфигурацией этих звеньев, не допускающих их работу на изгиб.

Большая длина балочных выводов или лучей выводной рамочки по сравнению с линейными размерами поперечных сечений обуслов­ ливает малость их моментов сопротивления деформациям в плоско­ сти подложки или в направлениях, перпендикулярных ей. Поэтому

носятся к гибким конструкциям.

Жесткое контактирование допустимо только тогда, когда ма­ териалы подложки и полупроводникового кристалла имеют достаточ­ но близкие температурные коэффициенты линейного расширения. В противном случае нагрев схемы или ее охлаждение в процессе работы или операции сварки вызывает в конструкции значительные механические напряжения, порой достаточные для разрыва электри­ ческого контакта или разрушения кристалла.

При наличии теплового рассогласования между кристаллом и подложкой следует для кинтакта между ними использовать одну из гибких конструкций.

105

Количество паяных или Сварных соединений в контактном узле.

Важной характеристикой контактной конструкции является коли­ чество сварных или паяных соединений, содержащихся в ней, так как эти соединения сопровождаются физико-химическими и диффу­ зионными процессами, способными в определенных условиях нару­ шить контакт или ухудшить его качество (см. § 4.3).

Конструкции с опорным промежуточным звеном содержат, как правило, одно сварное или паяное соединение на каждую пару контактных площадок. Конструкции с пролетными элементами со­ держат, как правило, в два раза больше таких соединений. Исклю­ чениями являются балочные выводы, имеющие по одному сварному соединению, и пленочные контактные полоски, не имеющие таковых.

Технологичность конструкции. Описанные выше конструкции контактных узлов можно классифицировать на монооперационные, в которых соединение всех пар контактных площадок кристалла и подложки выполняется одновременно (параллельно), т. е. за одну операцию, и мультиоперационные, в которых сварные или паяные

систем с балочными выводами. Соединение последних может вы­ полняться как монооперационно, так и мультиоперационио.

Критериями технологичности конструкции контактной системы являются также производительность методов изготовления проме­

гии. Те методы, которые применяются на практике для этих целей, показаны на схеме рис. 4.21.

Наиболее простая, дешевая и вместе с тем самая распростра­ ненная в микроэлектронике контактная конструкция—это конструк­ ция с пролетными проволочками из золота или алюминия. Однако контактирование этим методом выполнимо только вручную, поэтому является непроизводительным процессом, подверженным влиянию операторских факторов.

Использование вместо отдельных проволочек выводной рамочки сопряжено с дополнительными затратами на ее изготовление. Вместе с тем, это позволяет переходить на более высокий уровень автома­ тизации процесса. Применение балочных выводов обеспечивает еще более широкие возможности в этом отношении. Однако их недо­ статком является высокая стоимость изготовления балочных вы­ водов, для создания которых осаждаются толстые слои золота, вытравливаются сравнительно большие объемы полупроводникового •материала и т. д.

Металлизационные, иначе пленочные, межсоединения способ­ ствуют полной автоматизации процесса контактирования и проведе­ нию его без нарушения вакуума. Кроме того, конструкции с такими соединениями, безусловно, являются наиболее компактными. Однако при высоких плотностях тока в пленочных проводниках часто на­

106

Гибкие конструкции

Кристалл повернут лицевой стороной н подложке

1

Рис. 4.21. Классификация конструкций контактов в интегральных схемах.

мы. Подробнее эти явления рассматриваются в § 4.3. На рис. 4.21 приведена схема классификации описанных выше типовых кон­ струкций контактных узлов, применяющихся в настоящее время

вмикроэлектронике.

4.3.Деградационные явления в контактах

интегральных схем

Как упоминалось в предыдущем параграфе, для контактирова­ ния полупроводникового кристалла с подложкой чаще всего^ когда к контактному устройству не предъявляется особых требований, при­ меняются проволочные соедине­

ния.

Тонкопленочная металлизация полупроводника вместе с изоли­ рующим ее от кристалла слоем, контактная площадка подложки, приваренная к ним мпкропроволока и получающиеся при этом переходные соединения представ­ ляют собой типичную для инте­ гральных схем контактную конст­ рукцию (рис. 4.22).

Поскольку в настоящее время в качестве полупроводникового материала для интегральных схем применяется исключительно крем­ ний (Si), ниже рассматриваются физико-химические и диффузион­

ные явления, протекающие в указанной контактной конструкции применительно именно к этому материалу. Наиболее распространен­ ной совокупностью материалов, используемых для реализации кон­ тактной конструкции к кремниевым интегральным схемам, являются следующие:

1. Двуокись кремния (БЮг)—в качестве изоляционного слоя. (Двуокись кремния есть ни что иное, как кварц — лучший из из­ вестных неорганических изоляционных 'материалов.) Она обладает рядом решающих достоинств:

1) легко и достаточно контролируемо образуется на чистой по­ верхности кремния путем термического окисления;

2)имеет температурный коэффициент линейного расширения, весьма близкий к кремниевому;

3)поддается стандартным методам формообразования в ин­

тегральной технологии (фотолитографии, электронной литографии

ит. п.).

2.Алюминий (А1)—в качестве контактных площадок и межсо­ единений. Выбор алюминия для этой цели обусловлен следующими его свойствами:

а) алюминий обладает довольно высокой удельной проводимо­

к кремнию и к двуокиси кремния;

108

5)образует с кремнием р- и re-типа низкоомный, почти не вы­ прямляющий контакт;

6)в системе алюминий — кремний не образуются интерметалли­

ческие соединения. Заметная растворимость кремния в алюмичии ъ твердом состоянии не влияет на проводимость последнего, так

как диффундирующие атомы кремния получают в алюминии мелкие акцепторные уровни;

7) алюминий обладает хорошей стойкостью к радиации и влия­ нию атмосферы.

3. Золото (Аи) — д л я проволочных соединений. Золото обладает отличными электрическими, механическими и антикоррозионными свойствами. Кроме того, до недавнего времени только из золота изготовлялись тонкие проволоки, диаметром 20...100 мкм, необходи­ мые для контактных соединений в интегральных схемах. Высокая пластичность золота позволяет довольно легко приваривать про­ волочки из него к различным материалам термокомпрессионным ме­ тодом.

4. Золото (Аи) — для контактных площадок подложки и покры­ тия выводов корпуса. Золотые контактные площадки хорошо сва­

ной отказа устройства, в результате диффузии натриевых загрязне­ ний, всегда имеющихся в окружающей среде {57]. Двуокись кремния обладает склонностью к адсорбции находящихся на ее поверхности натриевых загрязнений, которые проникают в нее в виде положи­ тельных ионов. Эти ионы обычно стремятся прилегать к слою алю­ миния (рис. 4.23,а). При таком расположении они не оказывают заметного влияния на кремний, поскольку их электрическое поле замыкается на алюминиевой пленке. Однако в те моменты работы

109