КР_Кириленко

Основное преимущество аргонно-дуговой сварки - возможность применения местного нагрева деталей корпуса, а недостаток ее - повышенные требования к точности изготовления оснастки и совмещения свариваемых деталей, а также чувствительность к отклонениям рабочих параметров дуги, т.е. нестабильность ее горения.

Рассмотрим технологический процесс герметизации корпусов аргоннодуговой сваркой (рис. 2). Детали корпусов собирают в кассеты 4 и, предварительно проверяя (внешним осмотром) чистоту поверхности свариваемых кромок, устанавливают на столе (планшайбе) сварочной установки. Конец электрода 5 помещают относительно свариваемых кромок на расстоянии длины дуги. В качестве неплавящегося электрода используют прутки вольфрама, содержащие 1,5 - 2% тория. Диаметр электрода для импульсного режима зависит от сварочного тока. Конец электрода должен быть заточен на конус с углом от 15 до 30°. К торцовой поверхности свариваемых кромок электрод следует располагать под углом 70°.

Для предупреждения блуждания сварочной дуги по поверхности герметизируемого корпуса используют весьма малые диаметры электродов и очень короткую (до 0,6 - 0,7 мм) дугу, при этом для получения стабильной глубины проплавления металла допускаемое отклонение длины дуги не должно превышать ±0,1 мм.

Рисунок 2. Схема герметизации корпусов аргонно-дуговой сваркой: 1,3 - теплоотводы крышки и основания, 2 - микросхема, 4 - корпус кассеты, 5 - электрод, 6 - сопло горелки.

Основными параметрами технологического режима аргонно-дуговой сварки являются: сварочный ток, скорость сварки, длина дуги, давление защитного газа в рабочей камере.

Сварочный ток и скорость сварки подбирают в зависимости от свариваемых металлов и толщины кромок. Давление защитного газа в сварочной камере должно быть 0,2-10 Па. Передвигая горелку 6 с электродом 5 вдоль кассеты с собранными микросхемами 2, осуществляют сварку в установленном режиме. Перекрытие шва происходит на длине 10--25% от его периметра с плавным снижением тока до минимального.

Кроме технологических режимов, важное значение для качества сварочного соединения имеет подбор материалов, из которых изготовляют

11

детали корпусов. Например, если основание сделано из сплава 29НК, крышку следует изготовлять из сплава 29НК или нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Контроль сварного соединения осуществляется внешним осмотром и проверкой герметичности. Сварные швы должны иметь гладкую или мелкочешуйчатую поверхность по всей их длине без видимых дефектов (непроваров, подрезов, пор, трещин, незаплавленных кратеров).

Для герметизации интегральных микросхем аргонно-дуговой сваркой разработан ряд установок, обеспечивающих сварку в наполненных защитным газом камерах в импульсном или непрерывном режиме.

Разновидностью аргонно-дуговой сварки является микроплазменная, применяемая для герметизации корпусов с малой толщиной. Для сварки этим способом используется сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием (рис. 3). Плазменная сварка не имеет тех недостатков, которые присущи аргонно-дуговой: сравнительно большого активного пятна и нестабильности при малых токах.

Плазменная дуга характеризуется высокими скоростями потока плазмы и температурой столба. Для получения дуговой плазменной струи используют специальные плазменные головки, или плазмотроны, в которых имеется неплавящийся вольфрамовый электрод, изолированный от канала и сопла, при этом анодом обычно служит герметизируемое изделие.

Рисунок 3. Схема герметизации корпусов микроплазменной дугой: 1 - электрод, 2 - плазмообразующий газ, 3 - корпус горелки, 4 - защитный газ. 5 - теплоотвод, 6 - свариваемые кромки корпуса.

Газовая среда в плазмотроне выполняет следующие функции: защищает от окисления и охлаждает вольфрамовый электрод и сопло; обеспечивает получение стабильной плазменной струи с необходимой температурой и скоростью, а также максимальную теплопередачу к герметизируемому изделию.

Газы разделяются на плазмообразующие и защитные. В качестве плазмообразующего газа при микроплазменной сварке обычно используют смесь Аг - Не или Аг - Н2, а в качестве защитного - аргон.

12

2. Герметизация электронно-лучевой сваркой

Сварка электронным лучом по сравнению с другими видами имеет выгодные особенности - точное регулирование и управление тепловой энергией, локальный нагрев, высокая чистота при сварке благодаря наличию вакуума, которые позволяют успешно применять ее для герметизации микросхем.

Сущность герметизации электронно-лучевой сваркой состоит в формировании непрерывного сварного шва по всему контуру корпуса за счет перекрывающихся сварных точек, образующихся в результате воздействия нагрева до температуры плавления сфокусированного электронного луча на отбортовку вращающегося корпуса (крышки и основания). Нагрев электронным лучом осуществляется вследствие превращения кинетической энергии ускоренных электронов в тепловую при торможении в свариваемых металлических деталях.

В отличие от обычных широко применяемых источников теплоты, производящих нагрев теплопередачи через поверхности металла, высвобождение энергии при электроннолучевой сварке происходит в самом веществе, причем наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на некоторой глубине (порядка 1 мкм), поэтому тепловой источник можно считать поверхностным.

Герметизацию электронно-лучевой сваркой можно выполнять в непрерывном и импульсном режимах, но предпочтительнее в импульсном, так как возможна герметизация с малой зоной термического влияния.

Основными параметрами технологического процесса являются: ускоряющее напряжение, диаметр электронного луча, скорость сварки, длительность и частота следования импульсов (для импульсного режима).

При герметизации корпусов электронно-лучевой сваркой суммарная толщина отбортовки под сварку должна быть 0,4 - 0,8 мм, необходимая глубина проплавления, обеспечивающая герметичность корпуса, 0,5 - 0,8 мм, а степень перекрытия сварных точек 50 - 60% от их диаметра (она определяется их размером и шагом).

Сварные швы, полученные данным способом, имеют гладкую или мелкочешуйчатую поверхность по всей длине. Основным дефектом швов могут быть непровары, образующиеся из-за увеличения зазора между свариваемыми кромками, смещения линии стыка кромок относительно оси луча, несоблюдения технологических режимов.

13

Рисунок 4. Электронно-лучевая установка:

1 - высоковольтный трансформатор, 2 - выпрямитель, 3 - электронная пушка, 4 - катод, 5 - анод, 6 - электромагнитная фокусирующая линза, 7 - отклоняющая система, 8 - корпус полупроводникового прибора, 9 - ходовой винт, 10, 11 - форвакуумный и диффузионный насосы, 12 - электродвигатель привода столика, 13 - столик. 14 - рабочая камера. 15 - электронный пучок Шаг S = V/Tц,

где К --скорость сварки, Тц -- время цикла.

Способ герметизации электронным лучом применяется реже из-за сложности конструкции установок по сравнению с другими способами, обеспечивающими качественную герметизацию.

Схема установки для герметизации электронным лучом включает катодный узел 4, фокусирующую линзу 6, размещенную соосно с катодом, анод 5 с отверстием на пути следования луча. Расстояние между катодом и анодом составляет 10 - 15 см. Прикатодный фокусирующий электрод и анод 5 имеют форму, обеспечивающую такую конфигурацию электрического поля, которая формирует электроны в узкий пучок (электростатическая фокусировка). Отрицательный потенциал катода 4 обычно составляет от 20 до 200 кВ. Прерывание и регулировка тока луча осуществляются подачей высокого напряжения (около 3 кВ) на прикатодный электрод. Электроды после выхода из анода 5 фокусируются с помощью линзы 6. Сфокусированный электронный пучок 15 направляется на кромки деталей герметизируемых корпусов 8 с

14

помощью отклоняющей системы 7. Для герметизации корпусов полупроводниковых приборов и микросхем применяют установки с различными техническими характеристиками.

2. Герметизация лазерной сваркой

Сущность герметизации лазерной сваркой состоит в совместном оплавлении соединяемых материалов под действием интенсивного светового потока (переводом импульсной световой энергии в тепловую) с образованием шва.

Лазерная технология по сравнению с традиционными способами сварки, применяемыми для герметизации, обладает рядом преимуществ. Основное достоинство лазерного излучения как источника теплоты при сварке -- возможность концентрации сравнительно больших энергий на малых поверхностях в короткие промежутки времени, т. е. высокая локальность процесса нагрева. В результате этого можно сваривать металл в непосредственной близости от металло-стеклянных или металлокерамических спаев, проводить герметизацию практически без термического влияния на элементы и компоненты микросхем и структуры полупроводниковых приборов. Как уже указывалось ранее, к преимуществам способа относится возможность легкого фокусирования излучения обычными оптическими системами. Для работы лазерной установки не требуется создания специальных сред (вакуум, защитная атмосфера), а лазерное излучение может проникать сквозь оптически прозрачные вещества (стекло, кварц).

Для герметизации корпусов применяют шовную лазерную сварку, выполняемую как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы лазера, тогда как точечная сварка чаще всего используется при приварке выводов и пайке тонких деталей.

Рисунок 5. Схема герметизации корпусов лазерной сваркой: 1 - оптическая система, 2 - свариваемые детали, 3 - лампа накачки, 4 - активный элемент.

Основными параметрами режима лазерной сварки являются энергия лазерного излучения в импульсе или мощность лазерного излучения,

15

длительность лазерного импульса, диаметр луча, частота следования импульсов и скорость сварки, которые обусловливают обобщенный энергетический параметр - интенсивность излучения в фокальном пятне.

Для каждой пары соединяемых металлов существует предельное значение интенсивности излучения в фокальном пятне, выше которого сварка будет сопровождаться значительным испарением металла из зоны нагрева или выплеском части расплавленного металла. Оптимальные условия сварки большинства сочетаний металлов (температура на границе сварочной ванны равна температуре плавления, а в центральной области меньше или равна температуре кипения) обеспечиваются интенсивностью 10s-106 Вт/см2.

Управление интенсивностью излучения в фокальном пятне осуществляется тремя способами: изменением длительности воздействия излучения на материал, изменением выходной энергии, изменением площади фокального пятна.

Для получения вакуумно-плотного шва при сварке в импульсном режиме степень перекрытия сварных точек должна составлять 50 - 80% от диаметра сварной точки. Она зависит от их диаметра и шага.

Для примера рассмотрим технологический процесс герметизации миниатюрного диода в круглом металлокерамическом корпусе. Он состоит из подготовки к сборке свариваемых деталей и загрузке их в специальное приспособление, обеспечивающее стабильное положение деталей относительно лазерного луча, собственно лазерной сварки и проверки качества сварного шва.

Свариваемые кромки корпуса не должны иметь заусенцев, раковин, царапин, трещин, следов припоя, жировых пятен и других загрязнений, препятствующих получению качественного соединения. Зазор между свариваемыми элементами в зоне сварки должен быть минимальным (не превышать 10 - 25% от меньшей толщины свариваемых кромок). Он обеспечивается с помощью прижимов при сжатии свариваемых кромок в сварочном приспособлении или предварительной приваркой деталей в одной или двух точках.

После установки режима сфокусированный лазерный луч направляется на свариваемые кромки корпуса и крышки. Круглый корпус диода вращается вокруг оси, перпендикулярной оси луча. Все точки периметра корпуса последовательно проходят под лучом на одинаковом расстоянии.

Внешний вид сварных соединений проверяют осмотром через лупу. При этом не должно быть прожогов, непроваров, выплесков, свищей и пор. Механическая прочность соединения должна быть не менее 0,8 предела прочности свариваемых металлов.

Недостатками герметизации лазерной сваркой являются незначительная глубина проплавления соединения металлов при средних мощностях излучения, выплески испаряемого металла при использовании мощных

16

лазеров, значительные потери энергии лазерного пучка при сварке металлов, обладающих высокими коэффициентами отражения.

Из различных типов оптических квантовых генераторов для герметизации лазерной сваркой используют те, которые могут обеспечить непрерывный и импульсный (с достаточной частотой) режимы работы и сравнительно большую мощность. К ним относят твердотельные на алюмоиттриевом гранате с неодимом и газовые, активная среда которых состоит из смеси диоксида углерода, азота и гелия.

Схема специализированной полуавтоматической двухлучевой установки Квант-17 показана на рис. 6. Она предназначена для герметизации одновременной сваркой с двух сторон корпусов микросхем размерами от 10 до 40 мм. Для этого в установке имеются два активных элемента 6, которые расположены соосно и помещены в отдельные камеры с импульсными лампами накачки, подключенными к общему источнику питания 8 последовательно для обеспечения одинаковых излучений, и резонатор, состоящий из двух сферических зеркал 5. С помощью призм полного внутреннего отражения и объективов 2 лазерные лучи с двух сторон направляются на сварочные кромки корпуса 4 микросхемы и фокусируются на них. Для укладки герметизируемых микросхем служит многоместная кассета 3, которая после сварки двух параллельных сторон корпуса автоматически перемещается с заданной скоростью и поворачивается на 90° для герметизации двух других сторон.

Рисунок 6. Схема полуавтоматической двухлучевой установки Квант-17. 1 - призма полного отражения, 2 - объектив, 3 - кассета, 4 – корпус микросхемы, 5 - сферическое зеркало, 6 – активный элемент, 7 – лампа накачки, 8 - источник питания.

17

Спектроскопический метод контроля окончания процесса травления

Эмиссионные спектры

Эмиссионные полосы или линии некоторых реагентов и продуктов реакции могут регистрироваться с целью определения момента окончания травления. Следует отметить, что в некоторых процессах могут регистрироваться линии как реагентов, так и продуктов реакции. Однако всегда, когда это возможно, желательно регистрировать спектр продуктов реакции, поскольку интенсивность их линии часто существенно меняется при завершении травления.

На рис. 7 приведено изменение интенсивности некоторых линий, наблюдаемое при травлении алюминия в смеси BCl3, CHCl3 и He. Линия на 396 нм, связанная с получением атомов алюминия, увеличивается по амплитуде во время травления и через 2,5 мин. спадает почти до первоначального уровня. Излучение молекул Cl2 на длине волны 255 нм, напротив, резко падает в начале травления и возвращается к первоначальной интенсивности по завершении травления. В этом случае для определения момента окончания травления может использоваться регистрация излучения как реагента Cl2, так и Al, являющегося продуктом реакции.

Ранее одним из ограничений для применения оптической спектроскопии являлась необходимость отыскания пригодных для регистрации линий излучения. Однако в последние годы эта трудность была в значительной степени преодолена в результате проведения ряда спектроскопических исследований систем для плазменного травления (табл. 1).

Наиболее эффективно этот метод срабатывает при больших изменениях в составе газа, происходящих по завершении травления. Именно поэтому весьма трудно определить момент окончания процесса травления при травлении контактных окон в слое SiO2, поскольку эти элементы с размерами до 1×1 мкм, наименьшим из всех топологических элементов в СБИС, составляют только 2- 5% всей площади пластины.

Масс-спектроскопия

Изменение спектра масс может быть использовано для определения момента окончания процесса при травлении пленок Si3N4 и SiO2. Преимуществом масс-спектроскопического метода является возможность регистрации реагентов и примесей с целью выявления правильности протекания реакции. В производственных системах этот метод редко используется для регистрации окончания процесса, так как необходимая аппаратура сложна и дорогостояща. Кроме того, масс-спектрометрический метод недостаточно чувствителен, чтобы его применять при травлении малых площадей или в тех случаях, когда продукты реакции имеют низкую летучесть, как например, AlCl3.

18

Рисунок 7. Травление алюминия в хлорсодержащей плазме. а) изменение амплитуды эмиссионного пика алюминия на длине волны 396 нм;

б) изменение эмиссионного пика Cl2 на длине волны 255 нм.

Таблица 1 Эмиссионные линии, используемые для определения момента окончания

травления

19

Список использованной литературы

1.Романовский М.Н. Технологические процессы микроэлектроники.

–Томск: ТУСУР, 2002 г.

2.Раздзял П. Технология герметизации элементтов РЭА.-М Радио и связь, 1981 г.

3.Калябин И.А. Контроль герметичности изделий электронной техники. Технология организации производства и оборудования. Обзоры по электронной технике, серия. 7, выпуск 13, 1985 г.

4.Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. – М.: Высш. шк.,

1986 г.

5.Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. – М.: Энергоатомиздат, 1987 г.

20