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

Рис. 3.13. Схема установки электронно-лучевой сварки:

I — вакуумная камера; 2 —катод; 3 — фокусирующий

лении, резка, пайка и т. д. При этом электронный луч является гибким ин­ струментом, легко поддающимся ма­ шинному управлению, что допускает высокую степень автоматизации техно­ логических процессов. С этой точки зрения сварка электронным лучом яв­ ляется дополняющим звеном в элек­ тронно-лучевой технологии полупро­ водниковых приборов и интегральных схем.

Лазерная сварка. Этот вид сварки относится к термическим методам создания контактных соединений.

Ввиду сложности аппаратуры лазерной сварки и из эко­ номических соображений (низкая производительность метода) этот метод контактирования не получил широ­

между контактируемыми поверхностями не может быть приложено прижимное механическое усилие или когда образуемый контакт создается в недоступных для дру­

щью лазерного луча особенно большое значение имеет соотношение масс и теплопроводностей контактируемых конструкций.

Рассмотрим следующие виды сварных соединений, наиболее часто реализуемых методом лазерной сварки:

—тонкий провод — массивное основание;

—тонкий провод — толстый провод;

—тонкий провод — тонкая пленка;

—толстый провод — тонкая пленка.

При сварке тонкого провода с массивным основанием для образования сварного соединения необходимо опе-

режающее плавление металла массивного основания. Если провод расплавится лазерным лучом раньше, то образующаяся при этом капля металла будет быстро перемещаться по поверхности относительно холодного массивного основания, препятствуя этим теплообмену и образованию сварного соединения. По мере повышения под воздействием лазерного луча температуры массив­ ного основания возможно образование контактных со­ единений двух типов:

1.При контактировании металлов с большой разни­ цей температур плавления возможно и допустимо обра­ зование контакта типа паяного, т. е. такого соединения, при котором расплавленный металл капли и активиро­ ванная путем нагрева лазерным лучом поверхность ос­ нования сцепляются и образуют при остывании постоян­ ный контакт.

2.При контактировании металлов с малой разницей температур плавления в местах, подвергающихся воз­ действию лазерного луча, происходит расплавление обо­ их металлов. Силы сцепления, образовавшиеся между расплавленными металлами, препятствуют перемещению капли по поверхности массивного основания и способст­ вуют созданию сварного соединения.

Обязательным условием образования как сварного соединения, так и соединения типа паяного является те­ плообмен между контактируемыми материалами.

Физическая картина образования контакта вида тон­ кий провод — толстый провод аналогична картине обра­ зования контакта тонкий провод — массивное основание.

При соединении вида тонкий провод — тонкий провод, как правило, имеет место расплавление обоих проводни­ ков.

Для образования качественного соединения вида про­ вод— пленка необходимо выбрать такие режимы воздей­ ствия лазерного луча как на провод, так и на пленку, при которых выполнялись бы следующие требования:

— время, необходимое для начала плавления мате­ риала пленки, должно быть больше времени, необходи­

быть меньше вермени, необходимого для плавления ма­ териала пленки, и больше времени, необходимого для плавления провода.

84

. На практике стремятся работать с большими дли­ тельностями излучения лазера, так как это способствует повышению стабильности процесса сварки. Причина за­ ключается в том, что в режиме длинных импульсов уро­ вень излучаемой лазером мощности менее подвержен колебаниям, да и сам процесс сварки при больших дли­ тельностях становится менее критичным к колебаниям уровня подводимой мощности. Требуемого распределе­ ния температур на проводе и основании можно добиться выбором соотношения диаметра лазерного луча dn к раз­ меру провода /. Для сварки тонкого провода с пленкой отношение //д?л->-0.

Термомеханические методы. Методы сварки, основан­ ные на совместном действии в месте нагрева вводимых туда тепловой и механической энергий, находят в элек­ тронной и микроэлектронной технологии наиболее ши­ рокое распространение, так как они не связаны с плав­ лением соединяемых металлов. Необходимое количество тепловой энергии может быть либо выделено непосред­ ственно в месте соединения (контактная сварка), либо введено туда за счет теплопередачи контактом (термо­ компрессионная сварка).

Контактная сварка. При контактной сварке (иначе— электрической сварке сопротивлением) нагрев соедине­ ния осуществляется за счет джоулева тепла, выделяе­ мого пропускаемым через свариваемые металлы элек­ трическим током. Количество тепла Q, выделяемого в ка­ кой-либо цепи с сопротивлением R и током /, согласно закону Джоуля — Ленца равно

Rn',

в) переходных сопротивлений контактов между элек­

Полезным для процесса является только то тепло, которое выделяется в самих проводниках и на переход-

85

ном сопротивлении между ними. Эти сопротивления, как известно, с ростом температуры изменяют свои значения. Так, R', R" увеличиваются по мере роста температуры Т согласно следующим выражениям:

R'(T) = # ' 0 ( 1 +«'7'); R"{T) =Д"о(1 + а ' Т ) ,

где а' и а" — температурные коэффициенты сопротивле­ ний соответственно первого и второго проводников. Пе­ реходное сопротивление прижимного контакта между проводниками рассматривалось подробно в § 1.2 и была показана его зависимость от температуры. Таким обра­ зом, R', R" и Ra являются величинами переменными в процессе нагрева, поэтому количество тепла, выделяе­ мого в свариваемых проводниках и на сопротивлении контакта между ними, следует выразить как

соответствует случаю импульса тока постоянной величи­ ны. Если же на протяжении процесса ток не остается по­ стоянным, то / в (3.11) следует также представить как функ­ цию времени.

Следует отметить, что со­ противление Rn играет некото­ рую роль лишь в самом начале процесса. Протекающий до­ вольно большой ток нагревает до чрезвычайно высоких темпе­ ратур любое количество вновь вступивших в контакт микро­ выступов, которые тут же под влиянием внешнего механиче­ ского усилия деформируются. Вскоре переходное сопротивле­ ние достигает постоянного, ни­

чтожно малого значения. Дальнейшее нагревание стыка происходит за счет тепла, выделяемого в самих свари­ ваемых проводниках, сопротивления которых с ростом температуры продолжают расти,

86

• Вообще говоря, определить количество выделяемого тепла и, тем более, температуру стыка на основании выражения (3.11) весьма затруднительно. Характер функций в подынтегральном выражении сложен и зави­ сит от условии теплоотвода, конфигураций деталей и т. п. В реальных условиях режим процесса подбирают экспе­ риментально. При этом регулирование количества тепла осуществляется изменением значения тока либо длитель­ ности его протекания.

Существенное влияние на структуру и свойства свар­ ного шва оказывает форма импульса тока, так как этим определяется характер процесса охлаждения.

Приведенная на рис. 3.14 схема изображает разно­ видность электрической сварки сопротивлением, назы­ ваемой точечной контактной сваркой. Помимо нее часто применяют стыковую контактную сварку (рис. 3.15) и сварку расщепленным электродом (рис. 3.16), являю­ щиеся родственными процессами.

струкция электродов при этом методе обеспечивает со­ здание типичного для микроэлектроники соединения проволока — пленка, а также тем, что ток в основном проходит по сравнительно толстой проволоке, а не по тонкой и непрочной пленке, неспособной выдерживать большие токи.

Термокомпрессия. Термокомпрессия является разно­ видностью метода сварки давлением с подогревом. В от-

87

1) хорошая свариваемость обнаруживается только в тех случаях, когда хотя бы один из свариваемых ма­ териалов обладает достаточно высокой пластичностью, например золото;

2)чем тоньше окисная пленка на поверхности сва­ риваемых тел, тем при более мягком режиме, т. е. при меньших температуре и давлении, возникает их сцепле­ ние; '

3)хотя бы один из свариваемых проводников должен

ная упругими напряжениями, меньше, чем в более тол­ стых, а упругие напряжения приводят к разрыву соеди­ нений с межкристаллитным характером связи.

В полупроводниковых приборах и интегральных схе­ мах, как правило, один из свариваемых проводников обладает низкими механическими качествами и не вы­ держивает локальных термических ударов (например, кремний) либо нанесен на подложку с такими качества­ ми. Во избежание локальных термических ударов те­ пловая энергия вводится не пуансоном, а путем нагрева всей подложки (столика) или же подложки и пуансона одновременно.

В технологии микроэлектронных схем применяется несколько разновидностей термокомпрессионной сварки, обеспечивающих различные формы соединения. Наибо­ лее распространенными из них являются:

1. Термокомпрессия встык (или шариковая термоком­ прессия), при которой (рис. 3.18) перед каждым новым соединением проволочки с пленкой или кристаллом ко­ нец проволоки оплавляют при помощи газового пламе­ ни. Расплавленный материал проволочки под действием сил поверхностного натяжения стягивается в шарик. Этот шарик и приваривается встык к пленке или к кри­ сталлу.

2. Термокомпрессия клином (рис. 3.19), при которой давление осуществляется клинообразным нагреваемым инструментом из карбида вольфрама, корунда или туго­ плавкого металла (например, ниобия). На практике при­ меняется несколько разновидностей этого способа, раз­

89