книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

7. Технология изготовления микросхем

твердой фазе) золота и кремния. Вследствие плавного изменения концен­ трации компонентов по нормали к соединяемым поверхностям образует­ ся слой, состав которого близок к эвтектическому. При температуре на­ грева этот слой переходит в жидкую фазу. С момента возникновения жидкой фазы процессы диффузии и растворения ускоряются, а расплав­ ленный слой быстро расширяется.

Поскольку все виды пайки металлическими припоями, включая пайку контактным плавлением, можно выполнять на механизированных установ­ ках, применение флюсов в этих условиях снизило бы эффективность ис­ пользования таких установок. Поэтому пайку обычно проводят в защитной или защитно-восстановительной среде путем подачи соответствующего газа через миниатюрное сопло в зону пайки. Этот же газ используют для охлаж­ дения полученного соединения.

На площадку для пайки кристалл (а также припойный диск) устанав­ ливают вакуумным пинцетом из кассет с ориентированными кристаллами. Пинцет является инструментом, выполняющим соединение.

Укладка ориентированных кристаллов в кассеты (после скрайбирования, ломки групповой пластины и отбраковки дефектных кристаллов) тре­ бует трудоемкой и утомительной ручной работы или специальных сортиро­ вочных автоматов. Поэтому представляют интерес различные способы, по­ зволяющие сохранить ориентацию кристаллов после ломки групповой пластины. Один из способов заключается в том, что групповая пластина, прошедшая операции зондового контроля и скрайбирования, наклеивается на эластичную пленку. Ломку пластины проводят прокатыванием ролика по поверхности пластины. Далее пленка на специальном приспособлении рас­ тягивается по двум осям (при этом кристаллы раздвигаются, сохраняя ори­ ентацию) и в этом положении фиксируется. После подогрева пленки де­ фектные кристаллы удаляют вакуумным пинцетом, а остальные погружают в ванночку с растворителем, сушат и переносят в кассету. Описанный спо­ соб лежит в основе работы установки ЭМ-226, производительность которой составляет 40 пластин в 1 ч диаметром 80 мм.

Установки для пайки кристаллов (ЭМ-438А, ЭМ-438М) работают в автоматическом и полуавтоматическом режимах. В автоматическом ре­ жиме рабочий цикл непрерывно повторяется с определенным тактом, а кассета с корпусами (или отрезок ленты с выводами) перемещается с ка­ ждым циклом автоматически на определенный шаг. В полуавтоматиче­ ском режиме для выполнения очередного цикла необходим пуск установ­ ки оператором. Полуавтоматический режим используют при ручной ус­ тановке корпусов на рабочую позицию, а также в процессе наладки установки. Технические характеристики установки присоединения кри­ сталлов ЭМ-438 следующие:

272

Рабочий цикл включает в себя следующие приемы, выполняемые ав­ томатически: захват кристалла инструментом (с вакуумным прижимом), включение нагрева инструмента, перемещение корпуса (ленты) на шаг, ус­ тановку кристалла, выключение вакуума, включение ультразвукового гене­ ратора, пайку, выключение подогрева инструмента и ультразвукового гене­ ратора, включение обдува, подъем инструмента и выключение обдува.

7.16. Электрический монтаж кристаллов ИМС на коммутационных платах микросборок

Электромонтаж бескорпусных кристаллов ИМС заключается в элек­ трическом соединении контактных монтажных площадок на поверхности кристалла с контактными монтажными площадками на поверхности комму­ тационной платы. Обычно кристалл предварительно фиксируют на плате клеем или припоем. Во втором случае групповая пластина до разделения ее на отдельные кристаллы должна быть металлизирована со стороны, проти­ воположной структурам, металлом, который хорошо смачивается припоем. Облуженными должны быть также площадки на плате, на которые устанав­ ливаются кристаллы.

В производстве нашли применение три способа электромонтажа: гиб­ кими проволочными перемычками круглого сечения (проволочный монтаж), гибкими ленточными перемычками прямоугольного сечения (ленточный монтаж) и жесткими объемными выводами, предварительно выращенными на кристалле.

Проволочный монтаж

При проволочном монтаже перемычка формируется в процессе мон­ тажа (рис. 7.33): после совмещения свободного конца проволоки с площад­ кой на кристалле проводится сварка, далее изделие (коммутационная плата)

273

7. Технология изготовления микросхем

перемещается так, чтобы под сварочный инструмент пришла соответст­ вующая площадка коммутационной платы; после совмещения инструмента с площадкой проводится сварка и обрезка проволоки. Далее формируется перемычка для следующей пары контактов.

При перемещении платы с приваренным концом проволоки последняя сматывается с катушки неподвижной сварочной головки так, чтобы образо­ вался небольшой избыток по длине. В результате упругости проволоки пе­ ремычка получает плавный изгиб вверх, который при температурных изме­ нениях длины перемычки предотвращает замыкание ее на кристалл.

В современных установках для микросварки рабочий цикл сварки ав­ томатизирован (контролируется давление инструмента, нагрев, время вы­ держки). Что касается вспомогательных приемов (перемещения, совмеще­ ния), то существуют установки с ручным перемещением изделия и визуальным совмещением с помощью микроскопа, а также установки с автоматическими программируемыми перемещениями в сочетании с системой «машинного зрения», освобождающей оператора от зрительного напряжения.

Достоинством проволочного монтажа является возможность разме­ щения перемычек при произвольном расположении любого количества мон­ тажных площадок на коммутационной плате, т. е. гибкость в процессе ее конструирования. Недостаток этого способа состоит в высокой трудоемко­ сти монтажа, так как сварные соединения можно получать только последо­ вательно, индивидуально.

Ленточный монтаж

Отказ от проволоки и переход к плоским ленточным перемычкам позво­ ляет изготовить их заранее и одновременно вне кристалла методом избиратель­ ного травления (фотолитографии) ленты, взаимное расположение перемычек должно быть жестко предопределено расположением монтажных площадок на кристалле и плате. Ленточные перемычки толщиной 70 мкм явяляются гибки­ ми, поэтому для сохранения их взаимной ориентации они удерживаются в за­ данном положении изолирующими перемычками из полиимида (рис. 7.34). Та­

274

7.Технология изготовления микросхем

изащитной среды, а затем холодный инертный газ, на этом цикл монтажа заканчивается.

Кдостоинствам монтажа жесткими объемными выводами относится: сокращение числа соединений вдвое, что повышает надежность изделия при эксплуатации; сокращение трудоемкости за счет одновременного присоеди­ нения всех выводов; уменьшение монтажной площади до площади, зани­ маемой кристаллом; отсутствие необходимости предварительного механи­ ческого крепления кристалла.

Ограничением для использования данного метода является необходи­ мость применения коммутационных плат на основе тонких пленок с исполь­ зованием фотолитографии, т. е. высокого разрешения, так как размеры пло­ щадок и шаг их расположения на плате и кристалле должны совпадать.

Микросварка

Микросварку применяют при проволочном и ленточном монтаже. Ввиду малых толщин соединяемых элементов (порядка 1,5 мкм для пло­ щадки и несколько десятков микрометров для перемычки) сварка должна выполняться без расплавления соединяемых элементов. Таким образом, все разновидности микросварки представляют собой сварку давлением. В этом случае прочность соединения обеспечивается электронным взаимодействи­ ем соединяемых поверхностей и взаимодиффузией материалов в твердой фазе, что, в свою очередь, требует применения пластичных материалов и обеспечения плотного контакта на достаточно большой площади. Необхо­ димую площадь контакта можно получить лишь за счет пластической де­ формации перемычки, следовательно ее материал должен быть пластичным. Для повышения пластичности материала и для ускорения взаимодиффузии, во всех видах микросварки предусматривается нагрев зоны соединения до температуры ниже эвтектической (во избежание расплавления).

Таким образом, все виды микросварки характеризуются температурой в зоне соединения 300...800 °С и удельным давлением инструмента 100...200 Н /мм\ Конкретные значения режимов определяются материалом перемычки и видом микросварки.

Примененяют следующие разновидности микросварки: термокомпрес­ сионная сварка (ТКС), сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН), электроконтактная односторонняя сварка (ЭКОС) и ультразвуковая сварка (УЗС) (рис. 7.36).

Основная тенденция развития методов микросварки — локализация тепла в зоне соединения и уменьшение теплового воздействия на изделие в целом, что позволяет повысить температуру сварки и применять для пере- м<ячек менее пластичные материалы (например, медь). Способ нагрева зоны

276

7.16. Электрический монтаж кристаллов ИМС

Рис. 736. Виды микросварки и разновидности сварочного инструмента:

а — ТКС; б — СКИН; в — ЭКОС; г — УЗС

соединения находит свое отражение в конструкции сварочного инструмен­ та, схематически представленного на рис. 7.36. Независимо от вида микро­ сварки в случае проволочного монтажа инструмент должен быть снабжен «капилляром» для направления проволоки под рабочую часть инструмента (на рис. 7.36, а показан только для ТКС). При ТКС (рис. 7.36, а) нагреву подвергают все изделие или инструмент (или то и другое), обеспечивая тем­ пературу порядка 400 °С. В случае СКИН (рис. 7.36, 6) разогрев зоны со­ единения осуществляется только в момент сварки. Это обеспечивает V-об- разная конструкция инструмента, через который пропускается амплитудномодулированный импульс тока с несущей частотой 0,5... 1,5 кГц. В резуль­ тате температуру в зоне сварки можно повысить до 650 °С. Инструмент яв­ ляется частью электрической цепи и благодаря малому сечению рабочего конца инструмента выделяемое тепло концентрируется именно в этой части. Инструмент для ЭКОС (рис. 7.36, в) часто называют расщепленным: он со­ стоит из двух частей, разделенных изолирующей термостойкой прокладкой, которые являются составной частью электрической цепи. Последняя замы­ кается лишь при контакте с перемычкой. Таким образом, импульс тока про­ ходит через свариваемый участок перемычки, причем тепло выделяется в зоне контакта. В установках для ЭКОС предусмотрено автоматическое из­ мерение контактного сопротивления, регулирование по сопротивлению уси­ лия и формирование параметров импульса тока, что повышает воспроизво­ димость характеристик соединения. Температура в зоне сварки составляет 800 °С, что дает возможность применять медные перемычки. Ультразвуко­ вую сварку можно выполнять без специально организованного нагрева, так как тепло, необходимое для повышения пластичности, выделяется в резуль­ тате трения перемычки о площадку. Сварочный инструмент жестко закреп­

277

7. Технология изготовления микросхем

ляется в концентраторе магнитострикционной головки (рис. 7.36, г) и вместе

сним совершает продольные колебательные движения, «втирая» перемычку

вплощадку. Частота ультразвуковых колебаний выбирается в пределах 20 ...6 0 кГц, аамплитуда — 0,5...2 мкм.

Втабл. 7.14 приведены сведения по свариваемости материалов при различных методах микросварки.

Таблица 7.14. Свариваемость материалов при различных методах микросварки

Примечание: ++ — свариваются хорошо; + — свариваются удовлетворитель­ но; -----не свариваются.

Изготовление системы ленточных перемычек

Исходным материалом является двухслойная лента (в рулоне): алю­ миний толщиной 70 мкм и полиимид толщиной до 100 мкм. В непрерывной ленте последовательно кадр за кадром изготавливаются с помощью двух­ сторонней фотолитографии элементы проводящего рисунка в алюминиевой пленке и изолирующие элементы в слое полиимида. На рис. 7.37 показан пример кадра, на котором полиимидный рисунок зачернен и находится под проводящим рисунком. В кадре можно выделить несколько зон: 1 — кон­

такты для контроля качества при­

278

7.16. Электрический монтаж кристаллов ИМС

(показано соединение внутренних концов перемычек с монтажными пло­ щадками кристалла).

Систему перемычек изготавливают на автоматических линиях непре­ рывного действия. Лента сматывается с исходного рулона, при этом она проходит все стадии обработки, присущие фотолитографическому процессу, через ванны, распылительные форсунки и другие устройства и в конце об­ работки наматывается в рулон. В позиции экспонирования очередной уча­ сток ленты (кадр) останавливается. Благодаря устройствам с накопительны­ ми петлями движение ленты на остальных позициях не прерывается. После обработки ленту разрезают на кадры, совмещают внутренние концы пере­ мычек с площадками кристалла и приваривают их, контролируют качество присоединения, отделяют зону 1 (или совместно с зоной 2), формуют пере­ мычки, наносят клей на монтажную поверхность платы, совмещают наруж­ ные концы и приваривают их.

Изготовление системы объемных выводов

Для формирования объемных выводов стандартный процесс, заканчи­ ваемый осаждением защитной пленки БЮг и образованием в ней окон над монтажными площадками, дополняют рядом операций, выполняемых в групповой пластине, т. е. до разделения ее на отдельные кристаллы.

Для будущих круглых выводов в защитном окисле выполняют круг­ лые окна диаметром 70 мкм. Методом осаждения в вакууме на всю поверх­ ность пластины наносят слой ванадия (для восстановления алюминия из по­ верхностного окисла и уменьшения контактного сопротивления) и меди (для замыкания всех выводов и возможности последующего гальваническо­ го наращивания). Толщина каждого из слоев — несколько десятых долей микрометров (рис. 7.38, а). После формирования фотомаски, открывающей лишь участки будущих выводов, гальваническим методом выращивают слой меди толщиной порядка 50...60 мкм. Используя ту же фотомаску,

1

Рис. 7.38. Структура жестких объемных выводов на кристалле ИМС:

1 — алюминий; 2 — двуокись кремния; 3 — ванадий; 4 — тонкая медь; 5 — фотомаска; 6 — гальваническая медь; 7 — серебро; 8 — припой

279

7. Технология изготовления микросхем

гальванически наносят слой серебра толщиной в несколько микрометров. Серебро служит для защиты меди от окисления, а впоследствии — в качест­ ве маски для стравливания тонкой меди и ванадия.

Затем (рис. 7.38, б) фотомаску удаляют и последовательно стравли­ вают слои меди и ванадия (выводы электрически разобщаются). После чего горячим лужением (контакт пластины с расплавленным припоем) получают на выводах слой припоя. Во избежание растворения серебра оловом припоя в состав припоя ПОС-61 вводится 3 % серебра (припой ПСрОС-3-58).

7.17. Герметизация микросхем и микросборок

Защиту МС и микросборок от механических повреждений и воздейст­ вия окружающей среды обеспечивают использованием различных методов герметизации. Различают корпусную (с использованием полых или моно­ литных конструкций) и бескорпусную герметизацию.

Бескорпусная герметизация

Большинство полупроводниковых приборов и ИС, используемых в бытовой и электронно-вычислительной аппаратуре, выполняют в пластмас­ совых корпусах. По сравнению с другими методами процесс герметизации пластмассами характеризуется высокой производительностью, относитель­ но низкой стоимостью и простотой.

Для герметизации МС используют различные полимеры с добавками, влияющими на пластичность, текучесть, цвет, скорость отвердения пласт­ масс. Текучесть характеризуется временем, в течение которого герметизи­ рующий состав находится в вязком состоянии при заданной температуре окружающей среды. Скоростью отвердения называют скорость перехода пластмасс в состояние полной полимеризации.

В зависимости от поведения при нагревании пластмассы делят на термопласты и реактопласты. Термопласты сохраняют свои свойства при многократном нагреве. Реактопласты под воздействием повышенной темпе­ ратуры переходят в необратимое состояние. В качестве герметизирующих материалов используют компаунды (механические смеси из электроизоля­ ционных материалов, не содержащие растворителей) и пресс-порошки на основе эпоксидных, кремнийорганических, полиэфирных смол.

Эпоксидные смолы характеризуются плотностью у = 2,5...3 г/см3, тер­ мостойкостью Т = 150...230 °С, коэффициентом диэлектрической прони­ цаемости s = 4... 5 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg б = 0,01.

280

7.17. Герметизация микросхем и микросборок

Кремнийорганические смолы характеризуются плотностью у = 1...5 г/см3, термостойкостью Т = -60 ... +300 °С, коэффициентом диэлектрической про­ ницаемости е = 2,8...3,6 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg 6 = = 0,003— 0,005.

Полиэфирные смолы характеризуются плотностью у = 0,7...0,8 г/см3, термостойкостью Т - 150 °С, коэффициентом диэлектрической проницаемости е = 2,8.. .5,2 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg 5 = 0,005.

Герметизация методом обволакивания. При герметизации обвола­ киванием вокруг МС создается тонкая пленка полимерного материала. Для обеспечения механической прочности и герметичности полупроводниковых приборов и МС наносят несколько слоев герметизирующего состава с пред­ варительным подсушиванием каждого слоя.

Метод герметизации обволакиванием характеризуется устойчивостью защищаемых приборов к воздействию влажной атмосферы, простотой про­ цесса, малым расходом герметизирующего материала, возможностью при­ менения групповых методов обработки.

Технологический процесс обволакивания состоит из следующих ос­ новных операций:

закрепление арматуры (выводов) и полупроводниковой структуры в приспособлении;

сипанирование (нанесение гидрофобного защитного покрытия на ос­ нове кремнийорганических полимеров);

нанесение защитного закрепляющего состава; нанесение и полимеризация герметизирующего состава; контроль качества герметизирующего покрытия.

Способ нанесения герметизирующего состава зависит от габаритных размеров защищаемого изделия. На дискретные полупроводниковые приборы герметизирующий состав наносят в

281