Tekhnologiya_sborki_integralnyh_skhem

4.7. Прогрессивные направления в производстве полупроводниковых приборов и ИС

Сборка на ленте-носителе. Прогрессивным направлением в производстве полупроводниковых приборов и ИМС является их сборка на гибкой ленте-носителе. Широкое освоение такой технологии сборки способствует значительному снижению стоимости приборов и ИМС, так как резко повышается уровень механизации, автоматизации и уменьшаются затраты на материал. Лентой-носителем служит тонкая (толщиной 0,05–0,15 мм) полиамидная или полиэфирная пленка одно-, двух-, трехслойная пленка шириной от 8 до 70 мм.

Полиамидные и полиэфирные пленки. Полиамидные пленки обла-

дают высокой термостойкостью (возможен их кратковременный нагрев до 400 ºС), стабильными физико-химическими свойствами при воздействии кислот. Их можно подвергать селективной химической обработке и использовать в качестве подложек для вакуумного напыления металлических пленок. Основные свойства полиамидных пленок:

предел прочности при растяжении и температуре 25 С – 1,8·109 Па; максимальное относительное удлинение при этой температуре – 70 %; температурный коэффициент линейного расширения в интервале от –14 до +38 С – 2·10–5 1/ºС; коэффициент теплопроводности при

25 С – 1,6·103 В/(м·К), при 300 С – 2·103 В/(м·К); срок службы при нормальных атмосферных условиях и Т = 250 С – 8 лет, при Т = 300 С – 3 года, Т = 400 С – 1,2 года; гигроскопичность при относительной влажности 50 % и Т = 25 С – 1,3 %; электрическая прочность при Т = 25 С – 3·106 В/м; диэлектрическая проницаемость при Т = 25 С и частоте 1 кГц – 3,5; tgδ при Т = 25 С и частоте 1 кГц – 2,5·10–3; объемное электрическое сопротивление при Т = 25 С

иU = 125 В – 1015 Ом см; поверхностное электрическое сопротивление при относительной влажности 50 % и Т = 25 С – 1016 Ом/ .

Полиэфирные пленки на основе полиэтиленрефталата являются перспективным материалом, так как в 10 раз дешевле полиамидных

иболее устойчивы к воздействию влаги и высокой температуре. Наибольшее распространение получили двух- и трехслойная лентаноситель, технологический процесс изготовления которых состоит из нанесения на поверхность пленки адгезионного слоя (фенола, эпоксида, полиамида) толщиной 10–250 мкм и его сушки. После резки

100

пленки на заготовки требуемой ширины, пробивки краевой перфорации и отверстий под кристаллы на нее наклеивают медную фольгу толщиной 35 мкм. В медной фольге фотолитографией получают паучковые выводы (шириной 60–100 мкм) и последовательно осаждают на них слои Au и Sn. В результате получают ленту-носитель с большим количеством паучковых выводов, к внутренним концам которых присоединяют кристаллы (платы), а наружные, отрезаемые от лентыносителя, монтируют на выводные рамки, печатные платы или в многовыводные корпуса. Для присоединения термокомпрессией, пайкой или УЗ-сваркой к паучковым выводам ленты-носителя кристаллов на них создают металлические выступы (столбики) высотой около 125 мкм, что предохраняет контактные площадки кристаллов от разрушения. Выступы должны выполняться из металлов, не диффундирующих в полупроводниковый кристалл (хрома, меди, титана, вольфрама, никеля и золота). При изготовлении выступов на алюминиевую пленку контактных площадок кристаллов последовательно напылением наносят слои хрома, меди, золота, а затем гальванически осаждают еще один слои золота толщиной 12–25 мкм.

Производительность автоматической сборки полупроводниковых приборов и ИМС на ленте-носителе составляет 1000–2500 шт./ч. Лента-носитель с собранными приборами может быть свернута в рулон или нарезана в виде отрезков заданной длины. Герметизируют такие приборы обычно заливкой пластмассой. Последовательность сборки полупроводниковых приборов и ИМС на гибкой полиимидной ленте-носителе показана на рис. 4.14. Вначале на автоматической установке (рис. 4.14, а) присоединяют выступы 5 кристаллов 6 к внутренним (электродным) паучковым выводам 2 гибкого носителя 4. Предварительно кристаллы, размещенные на определенном расстоянии друг от друга, приклеивают воском 7 к подложке 9, которую закрепляют на ленте-носителе 8. Каждый кристалл поочередно автоматически устанавливается под термод (головку для пайки или сварки) 1, который опускается до соприкосновения с паучковыми выводами. При прохождении импульса тока происходит нагрев и пайка одновременно всех выводов с выступами 5 кристалла. При пайке таких металлов, как золото и олово, температура области контакта достигает 280 С, воск под кристаллом расплавляется и лента-носитель вместе с присоединенным к ней кристаллом приподнимается, затем носитель 4 и ленточный носитель 8 кристаллов передвигается на

101

очередную позицию и цикл повторяется. Пайка выводов, например Au-Au, происходит при 550 С за 0,25 с; прикладываемое усилие составляет 0,13 Н. Собранные полупроводниковые приборы и ИМС можно непосредственно монтировать в аппаратуру, вырубая их из носителя 4 и приваривая внешние выводы к печатным платам. При непосредственном монтаже в аппаратуру лента 10 с выводными рамками (рис. 4.14, б) и носитель 4 с припаянными приборами синхронно подаются с определенным шагом на рабочую позицию установки.

Рис. 4.14. Последовательность сборки полупроводниковых приборов на гибкой ленте-носителе:

а– присоединениекристаллакпаучковымвыводам; б– вырубкапаучковыхвыводов

иприварка их к выводам рамки; 1 – термод; 2 – паучковые выводы; 3 – Сu-фольга; 4 – носитель; 5 – выступы на кристалле; 6 – кристалл; 7 – воск; 8 – лента-носитель; 9 – подложка; 10 – лента с выводнымирамками; 11 – матрица; 12 – пуансон

При совмещении прибора и выводной рамки включается механизм, который матрицей 11 и пуансоном 12 при его движении вверх вырубает паучковые выводы вместе с прибором из носителя 4. Затем вырубленный прибор прижимается к выводной рамке и опускается термод 1, сваривающий их выводы. После этого пуансон опускается, термод поднимается и цикл повторяется.

4.8. Оборудование для монтажа кристаллов

Присоединение кристаллов к корпусу прибора выполняется на специальных установках монтажа методом эвтектической пайки, пайки стеклом либо с помощью клея. В современном оборудовании

102

для монтажа кристаллов в корпуса (или на платы) захват кристаллов выполняется вакуумным инструментом (присоской), который поочередно берет их с липкой ленты-носителя после разделения полупроводниковой подложки. В момент захвата вакуумным инструментом кристалл отделяется от липкой ленты толкателем-под- колом с обратной стороны. Инструмент, используемый для захвата кристаллов, представляет капилляр с расширенным книзу отверстием. Узкой верхней частью отверстия инструмент соединяется с вакуумной системой, а широкая нижняя служит для захвата и удержания кристаллов. Широкая часть отверстия может быть выполнена либо в виде конуса (рис. 4.15, а) для неориентированного монтажа кристаллов, либо в виде четырехгранной пирамиды (рис. 4.15, б) или квадрата (рис. 4.15, в) для ориентированного монтажа.

Рис. 4.15. Виды широкой части отверстий капилляра:

а– в виде конуса для неориентированного монтажа кристаллов;

б– в виде 4-гранной пирамиды для ориентированного монтажа;

в– в виде квадрата для ориентированного монтажа

Соотношения глубины этого отверстия и толщины кристаллов должны быть такими, чтобы при захвате и переносе на очередную позицию кристалл не менее чем на половину толщины находился вне инструмента. Изготовляют инструмент для монтажа кристаллов из быстрорежущей или нержавеющей стали, керамики, титана или другого материала, обладающего высокой нагревостойкостью и не смачивающегося припоем (клеем). Современные установки для мон-

103

тажа кристаллов имеют единую функциональную схему и состоят из координатного стола, предметного столика, монтажной головки с инструментом, устройства загрузки-разгрузки, микроскопа, оптического указателя (световой указки), устройства питания и программного управления.

Характеристики установок монтажа кристаллов. Установки монтажа кристаллов конструируются по двум принципиальным кинематическим схемам. По первой схеме на двух параллельных позициях производятся подготовительные операции над объектами сборки: на первой позиции один корпус прибора или отрезок выводной рамки подается на монтажный столик и нагревается до заданной температуры; на второй позиции с пластины снимается кристалл, годный по внешним признакам. Затем механическое устройство с помощью инструмента производит съем кристалла, переносит его в корпус прибора на монтажном столике и присоединяет. При конструировании по второй схеме предполагается, что кристалл на позиции съема может иметь достаточно свободную ориентацию. Поэтому в данной схеме съем кристалла осуществляется присоской, и он помещается на промежуточную позицию, где ориентируется специальным механическим устройством, после чего производится съем его инструментом и присоединение к корпусу. Отличительные особенности моделей установок монтажа кристаллов обусловлены различием технических решений устройств, методами присоединения кристалла, типом корпуса прибора, размерами кристаллов и т. д. В упрощенном варианте оператор с помощью микроскопа совмещает инструмент 1 (рис. 4.16) с кристаллом, расположенным на предметном столике 3.

Рис. 4.16. Схема монтажа кристаллов:

1 – инструмент; 2 – кристалл; 3 – предметный столик; 4 – корпус прибора

104

Затем осуществляется захват кристалла с помощью вакуума, перемещение и присоединение его к корпусу прибора 4. При необходимости вокруг монтажной площадки корпуса создается защитная газовая среда, а охлаждение осуществляется обдувом через инструмент. Основные технические характеристики установок монтажа кристаллов приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4 Технические характеристики установок монтажа кристаллов

Продолжение табл. 4.4.

106

Окончание табл. 4.4

Современное оборудование монтажа кристаллов оснащено быстродействующими механизмами, большим числом перепрограммируемых технологических параметров, развитым интеллектом, системой технологического зрения и т. д.

Режимы работы установок монтажа кристаллов. Установки монтажа кристаллов могут иметь два основных режима работы (автоматический и полуавтоматический) и ряд вспомогательных, позволяющих производить наладку и перепрограммирование установок для различных приборов.

В автоматическом режиме работы загрузочно-разгрузочное устройство подает корпус прибора либо отрезок выводной рамки на монтажный столик, где осуществляется его подогрев до заданной температуры. Одновременно осуществляется поиск годного кристалла на пластине системой технического зрения с помощью координатного привода. Годный кристалл, поданный на позицию подкола, снимается с липкого носителя и помещается в корпус прибора, где он и присоединяется. Установки ЭМ-4085 имеют конвейерную схему, реализуемую с помощью мальтийского креста, что позволяет производить несколько операций одновременно. Автоматический режим установки: в результате вращения распредвала инструмент снимает кристаллы с крестовины, затем координатный стол перемещает инструмент с кристаллом на позицию монтажа. После установки кристалла в корпус прибора распредвал останавливается, и с помощью координатного стола, после интервала заданной длительности, осуществляется вибрация инструмента. По окончании монтажа кристалла запускается распредвал, в результате чего инструмент поднима-

107

ется, а поданный на параллельную позицию подкола годный кристалл снимается присоской с липкого носителя и укладывается на крест. После подъема инструмента осуществляется запуск механизма подачи, на позицию монтажа подается очередной прибор и цикл повторяется. Во время работы автомата оператор производит смену магазинов подачи, а после остановки автомата по концу обхода пластины с кристаллами – смену пялец. В процессе работы автомата осуществляется автоматический контроль следующих условий устойчивой работы: отсутствие засорения отверстия креста, достаточного давления сжатого воздуха, минимального давления вакуума, заданной температуры нагрева, а также производится диагностика работы основных узлов установки.

Полуавтоматический режим работы отличается от автоматического тем, что поиск годного кристалла и его ориентация на позиции подкола осуществляются оператором с помощью визиров на экране видеоконтрольного устройства либо оптического оператора. Оператор визуально оценивает годность кристалла, находит годный, и по его команде кристалл автоматически монтируется в корпус прибора. Количество и содержание вспомогательных режимов обусловлены особенностями конструкции отдельной установки, уровнем автоматизации, сложностью переналадки и другими факторами. Вспомогательные режимы рассматриваем для установок семейства ЭМ-4085.

Режим «Обучение» предназначен для задания значений переменных величин на этапе наладки установки и настройки на новый тип прибора, в частности: данных о размерах кристаллов; масштабных коэффициентов механической и телевизионной систем координат; порога в зонах разбраковки кристалла по визуальный дефектам поверхности; траекторий движения инструмента при вибрации; количества шагов носителя на краю пластины перед перемещением на следующую строку положения кристаллов; параметров вибрации инструмента; количества присоединяемых кристаллов в одном корпусе прибора; количества циклов работы установки до контрольной проверки исходного положения координатных столов; времени прогрева корпуса прибора; координат позиции выгрузки неориентированного кристалла, захвата кристалла, монтажа кристаллов.

Режим «Наладка» предназначен для включения механизмов установки в отдельных фазах ее работы, при этом предусматривается: задание быстрого и медленного вращения распредвала с индикаци-

108

ей выхода преобразователя углового перемещения; управление устройством перемещения полупроводниковой пластины; включение вибрации инструмента; диагностирование запоминающих устройств системы управления.

Режим «Поиск» предназначен для проверки работы и правильности настройки системы поиска кристалла. При этом автоматически осуществляется подача кристалла в зону распознавания, совмещение его с визиром на экране видеоконтрольного устройства и анализ годности кристалла. Если кристалл годен, на экране появляется рамка, если не годен – перекрестье, если кристаллов нет – метка, если смещение кристалла больше нормы, осуществляется гашение визира. Очередной кристалл подается на позицию спустя 0,6 с, что дает возможность оператору оценить погрешность совмещения кристалла и правильность его разбраковки.

109