2. Оборудование для монтажа кристаллов в корпус – пайка эвтектическими припоями и монтаж с помощью клея.
Монтаж кристаллов в корпуса или на платы должен обеспечивать прочное механическое соединение, надежный электрический контакт, хороший теплоотвод. Выбор способа монтажа зависит от конструкции, назначений и условий эксплуатации полупроводниковых приборов и ИМС. При монтаже кристаллов используют четыре метода их присоединения: стеклом, пластмассой, приклеиваением, низкотемпературную и эвтектическую пайку.
Основным способом крепления кристаллов полупроводниковых приборов и ИМС в корпус является соединение с помощью эвтектической пайки, подразделяющуюся на контактно-реактивную и эвтектическими сплавами (припоями). Контактно-реактивная – это пайка, при которой между соединяемыми металлами в результате контактного плавления образуется эвтектический сплав, заполняющий зазор и кристаллизующийся с образованием паяного соединения. При пайке эвтектическими сплавами в отличие от контактно-реактивной эвтектический сплав (обычно в виде таблетки) вводится в качестве припоя между кристаллом и монтажной площадкой корпуса. При использовании этого способа следует учитывать возможность образования пор в плоскости раздела между кристаллом и монтажной площадкой, которые могут снизить надежность приборов при их длительной эксплуатации. Припойный сплав должен иметь высокую прочность, тепло- и электропроводность, а также обладать стабильными химическими и физическими свойствами во времени и при различных температурах.
Пайка эвтектическими сплавами применяется для присоединения больших полупроводниковых кристаллов к ножкам (корпусам). В отличие от контактно-реактивной эвтектический сплав образуется не в результате контактного плавления соединяемых материалов, а вводится в качестве припоя между соединяемыми поверхностями кристалла и ножки.
В качестве эвтектических используют сплавы Au-Ge и Au-Si. Подготовленные к пайке детали нагревают в нейтральной атмосфере до температуры, превышающей температуру плавления эвтектического сплава. Эта температура зависит от определенного соотношения в них компонентов.
Эвтектические сплавы Au-Ge (12 % Ge и 88 % Au) и Au-Si (94 % Au и 6 % Si) имеют температуру плавления соответственно 356 и 370 ℃, т. е. ниже температуры плавления каждого из этих материалов. Эвтектические сплавы – смеси, а не химические соединения. Сплав Au-Si сложно приготовляется и расслаивается, поэтому чаще применяют эвтектический сплав Au-Ge ЗлГр 12. Режим пайки эвтектическим сплавом ЗлГр 12 на специальной установке следующий: температура поверхности столика 410±10 ℃ усиление на инструмент 0,6–0,74 Н, амплитуда колебаний инструмента 0,08 мм и время пайки 7 с. По сравнению с контактно-реактивной пайкой пайка эвтектическими сплавами имеет преимущества: эвтектические сплавы имеют невысокую температуру плавления, хорошие жидкотекучесть и способность смачивания, а также незначительное время нагрева до температуры пайки. В паяном соединении не создается больших остаточных напряжений, образующихся вследствие разницы КТР спаеваемых материалов. Введение эвтектического сплава между соединяемыми поверхностями способствует сглаживанию на них шероховатостей и неровностей.
Нерастекающийся припой свидетельствует о плохой смачиваемости его поверхности ножки и кристалла при недостаточно высокой температуре пайки, что является одной из причин низкой прочности паяного соединения. Появление трещин и сколов на кристаллах связано с большим усилием, прикладываемым к рабочему инструменту, или слишком резким подъемом температуры пайки по сравнению с оптимальной.
Пайка кристалла к ножке эвтектическим сплавом представлена на рисунке 2.1 и состоит из нескольких операций: захвата прокладки 1 из эвтектического сплава, ее переноса и укладки на место пайки (см. рисунок 2.1, а), захвата кристалла 6, переноса и присоединение его к ножке (корпусу) 3 (см. рисунок 2.1, б). Захват, перенос и удерживание прокладки и кристалла выполняют специальным инструментом 2. При этом усилие захвата и удержание прокладки или кристалла создается вследствие перепада давления (атмосферного и разрежения). Инструмент представляет собой вакуумное захватывающее приспособление для переноса и прижима кристалла.
Рисунок 2.1 – Пайка кристалла к ножке эвтектическим сплавом:
а – захват прокладки и укладка ее на ножку; б – захват и укладка кристалла на прокладку; 1 – прокладка; 2 – инструмент (вакуумный пинцет); 3 – ножка; 4 – устройство прижима ножки к нагревателю; 5 – нагреватель; 6 – кристалл
Наибольшее распространение получил инструмент с прямым хвостовиком, имеющий наконечник с центральным отверстием для крепления кристалла (см. рисунок 2.2, а), так как при плоском торцевом инструменте (см. рисунок 2.2, б) возможно смещение кристалла в процессе соединения. Кристалл захватывается инструментом и центрируется наклонными рабочими площадками, расположенными под углом 90°.
Рисунок 2.2 – Конфигурация наконечников инструмента для присоединения эвтектической пайкой:
а – с углублением в виде канавки; б – с плоским торцом
Углубление в наконечнике служит для предотвращения относительного сдвига кристалла и инструмента при подаче на последний УЗ и механических колебаний. Высота усеченной пирамиды рассчитывается, чтобы половина толщины кристалла выступила из-под торца инструмента.
Инструмент для монтажа должен обеспечивать точный захват кристаллов и точное присоединение и иметь высокую стойкость к износу. Для повышения качества крепления кристаллов методом эвтектической пайки используют трехкомпонентные системы, когда добавление третьего компонента к системе Au-Si вызывает понижение точки плавления. Трехкомпонентная система должна быть эвтектической. Для того чтобы Тэвтектики трехкомпонентной системы была ниже 370 ℃, один из компонентов двухкомпонентной системы должен иметь Тэвтектики ниже 370 ℃. Наиболее полно отвечает этим требованиям олово.
Монтаж кристаллов приклеиванием применяют при изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС общего назначения, так как он прост, экономичен, не требует сложного технологического оборудования. В качестве клеев используются пластмассы – обычно эпоксидные смолы, которые обеспечивают достаточную механическую прочность и надежность соединений и имеют низкую температуру отвердевания, что исключает ухудшение параметров полупроводниковых приборов и ИМС вследствие перегрева кристалла. В зависимости от свойств пластмассы их подразделяют на диэлектрические, теплопроводящие и оптические. Для монтажа кристаллов оптоэлектронных приборов (фотодиодов, цифровых индикаторов и др.) требуются пластмассы, не содержащие наполнителей, обладающие высокой прозрачностью в диапазоне длин волн 300–700 нм, не изменяющейся в процессе эксплуатации, малой вязкостью (400–3000 СП) и отверждающиеся при 90–125 ℃ в течение 4–24 ч.
В жидком состоянии клеи практически не проводят ток, даже если содержат много серебра. После затвердевания клеевая пленка – хороший проводник с ρv = 0,010–0,001 Ом/см. Используются электропроводящие клеи, затвердевающие при комнатной температуре. Они – двухкомпонентные, поступают в производство в двух упаковках: в одной – смола, разбавитель и серебро, в другой – отвердитель, который вводят в клей непосредственно перед операцией склеивания. Применяются также клеи, которые затвердевают при нагреве до 120–180 ℃. Они обычно однокомпонентны. Срок годности клея составляет от 30 мин до 24 ч (у однокомпонентных – до года).
При монтаже кристаллов клей наносят либо на их обратную сторону, либо на корпус. Клей наносят несколькими способами на подложку: вручную, с помощью трафаретной печати или специальных дозирующих устройств. Вручную клей наносят иглой, кистью, монтажной лопаткой или шприцем. Этот способ не требует сложных инструментов, но малопроизводителен и не обеспечивает равномерности нанесения клея по поверхности. Способ трафаретной печати (распылением) является более эффективным, так как точно определяются количество и площадь нанесения клея. Недостатки – для каждой схемы своя маска, установка компонентов ведется в несколько приемов. Широко применяются для нанесения клеевых композиций микродозирующие устройства, преимущества которых – строгая дозировка клея (для дозирования используются либо импульсы сжатого воздуха, либо печать специальным инструментом типа пуансона). Дозирующие устройства легко перестраивать, изменяя время выдержки, давление воздуха или применяя дозатор с другим диаметром иглы.
Изображенный на рисунке 2.3 дозатор представляет емкость, заполненную компаундом, клеем или полимером, в которую от пневмостанции импульсами подается сжатый воздух. Количество вещества дозируется на конце сменных дозирующих элементов – иглы или воронки. Доза определяется изменением длительности импульса подачи сжатого воздуха, его давлением и подбором соответствующих размеров дозирующих элементов. Отсутствие в дозаторе движущихся механических частей, соприкасающихся с вязкими веществами, обеспечивает его надежную, продолжительную работу и удобство обслуживанием. Дозирующая система позволяет контролировать подачу клеевых материалов с большой точностью и повторяемостью. В зависимости от размеров сопла можно получать капли клея диаметром от 0,1 мм и выше. Одновременно с нанесением капли клея производится установка вакуумным захватом кристалла, контактные площадки которого ориентируются относительно контактных площадок основания. Кристаллы приклеиваются либо в кассетах, либо бескассетным способом. Давление при склеивании необходимо почти для всех типов клеев, причем оно зависит от состава клея, его влажности и определяется способностью клея к растеканию. Собранную арматуру направляют на обработку при повышенных температурах, если применены клеи холодного отвердевания.
Прочность клеевого соединения должна составлять (12,5–15,0)106 Н/м2. До отвердевания клеевого шва необходимо удалить растворители из клеевой
Рисунок 2.3 – Дозатор клея:
1 – игла; 2 – клей; 3 – воронка
пленки. Так как большинство клеевых композиций – это растворы смол в растворителях или смесях, то не полное удаление растворителей приводит к резкому снижению прочности соединения в результате пористость и появления усадочных напряжений после отвердевания клеевого шва. Это важно для конструкций с малой поверхностью испарения летучих веществ.
На рисунке 2.4 показана характерная конструкция гибридной ИС с малой поверхностью испарения летучих веществ (приклейка подложки к основанию корпуса и навесных элементов к подложке). Так как клеевая пленка является конструктивным элементом изделия, то наличие растворителя исключается примением материалов, не содержащих растворителей и обладающих высокой нагревостойкостью. Толщина клеевого слоя в полупроводниковой технологии ограничивается, поскольку с увеличением толщины клеевого шва его прочность падает [2].
Рисунок 2.4 – Крепление подложки и навесных элементов ГИС с помощью клеевых соединений:
1 – вывод; 2 – основание корпуса; 3 – клеевой слой; 4 – подложка; 5 – навесные компоненты
В настоящее время существуют высокопроизводительные установки (ОЗПВ-1500, ОЗПВ-2500, ЭМ-4015, ЭМ-4055, ЭМ-4085), на которых с помощью клея осуществляют монтаж кристаллов в корпусах полупроводниковых приборов и ИМС. Автоматизированная установка ОЗПВ-2500 работает в автоматическом режиме при выборке кристаллов из кассет и в полуавтоматическом – при выборке кристаллов с эластичного носителя. Выгрузка кристаллов из кассет и загрузка в кассеты осуществляется автоматически. Установка присоединения кристаллов (на клей и эвтектику) ЭМ-4015 предназначена для посадки кристаллов БИС в керамические корпуса и на отрезки лент; ее производительность – 1800 кристаллов в час, размеры кристаллов от 0,4×0,4 до 10 ×10 мм. В установке ЭМ-4085 поиск годных кристаллов на пластине и их присоединение проводятся автоматически. Оптико-телевизионная система распознает годные кристаллы по отсутствию маркировочных меток, трещин и сколов. Установка ЭМ-4055 предназначена для посадки кристаллов запоминающих устройств с помощью клея в окна платы. Цикл присоединения состоит из следующих операций: нанесение клея методом штемпелевания; захват кристалла из кассеты; ориентация платы относительно кристалла; посадка кристалла. Создание пленки необходимой толщины в месте забора клея инструментом производится дозатором.
Установка присоединения кристаллов ЭМ-4025АМ-3 (см. рисунок 2.5) предназначена для монтажа кристаллов и иных полупроводниковых компонентов методом эвтектической пайки, монтажа на клей и припой при сборке ИС, ГИС, многокристальных приборов, СВЧ-приборов и других изделий электронной техники.
Рисунок 2.5 – Установка присоединения кристаллов ЭМ-4025АМ-3
Установка оснащена 8-инструментальной револьверной головкой, нагреваемым рабочим столом с двумя зонами нагрева, пневмодозатором для нанесения клея. Привод вертикального перемещения по координате Z обеспечивает мягкое касание при монтаже кристаллов из материалов соединений типа AIIIBV.
Производительность установки ЭМ-4024АМ-3 составляет 2000 кристаллов в час; размер присоединяемых кристаллов от 0,4×0,4 до 10×10 мм; диапазон регулирования усилия сжатия соединяемых элементов от 0,8 до 5 Н; диапазон регулирования температуры нагрева рабочих зон нагреваемого рабочего столика (отдельно для каждой зоны) от 20 до 450 ℃; погрешность позиционирования револьверной головки по координате Z в диапазоне от 0 до 9 мм составляет ± 0,05 мм; погрешность присоединения кристаллов: по координатам x, y – ± 0,055 мм, по углу φ – ± 5°; максимальный диаметр пластины – 150 мм; потребляемая мощность – 0,5 кВт; габаритные размеры установки (длина × ширина × высота) – 790×780×500 мм [3].