Tekhnologiya_sborki_integralnyh_skhem

Качество УЗС-соединений контролируют визуально – наблюдением в микроскоп и испытаниями на механическую прочность. Широкое распространение при испытании на механическую прочность получил метод испытания на растяжение, так как для его реализации используется несложное оборудование, замеряющее значение прочности микросварных соединений. Контроль осуществляется методом приложения отрывных усилий к приваренным выводам. Испытания микросварных соединений проводят двумя методами: до разрушения и до предварительного заданной величины. В промышленности для контроля прочности микросварки используют установки 12 МП 0,05/100. Наиболее характерными видами брака при УЗС являются растрескивание кристалла и сильная деформация проволоки (более 60 %). При испытаниях на механическую прочность наблюдается три вида разрушения соединений: по пережиму проволоки; отрыв проволоки от контактной поверхности; отрыв пленки контактной поверхности вместе с соединением. Характер разрушений указывает на необходимость корректировки технологического режима сварки.

5.7. Присоединение выводов с помощью контактной точечной микросварки

Контактная точечная микросварка широко используется для присоединения выводов в полупроводниковом производстве. Физическая сущность контактной микросварки заключается в нагреве металла в местах максимального электрического сопротивления при прохождении тока и одновременном сжатии свариваемых деталей. Основными параметрами процесса контактной микросварки являются: величина сварочного тока; время сварки; усилие сжатия электродов. Контактная микросварка применяется для присоединения металлических проводников к токопроводящим пленкам на диэлектрических и полупроводниковых подложках к внешним выводам корпусов, когда недопустим общий подогрев изделия. Образующиеся соединения при контактной точечной микросварке разделены на два вида: соединения с литым ядром и соединения в твердой фазе. Соединения в твердой фазе характерны для присоединения выводов с односторонней сваркой. Оно образуется в результате рекристаллизации, когда происходит взаимное прорастание зерен через поверхность раздела или в результате пластической деформации при температуре рекристаллизации, ко-

130

гда происходит молекулярное сцепление по поверхности раздела двух материалов. В настоящее время контактная микросварка осуществляется несколькими способами: с двусторонним расположением электродов, односторонним расположением двумя электродами, сдвоенным расщепленным, строенным расщепленным электродами (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Основные способы контактной точечной сварки выводов:

а– сварка с двусторонним расположением электродов; б – сварка с односторонним расположением электродов; в – сварка сдвоенным расщепленным электродом;

г– сварка строенным расщепленным электродом

Односторонняя сварка двумя электродами (рис. 5.15, б) применяется для соединения тонких проводников (проволоки и ленты) с относительно толстыми пленками (более 20 мкм) в местах, доступных для размещения двух электродов. При этом импульс электрического тока проходит от электродов через слой металлизации. Так как контактное сопротивление привариваемого проводника к металлизируемому слою оказывается максимальным под левым электродом, максимальный разогрев металла и сваркапроходят вобласти левого электрода.

Для присоединения выводов широкое распространение получил метод контактной сварки расщепленным электродом (рис. 5.15, в, г). В момент прижатия этим электродом свариваемой проволоки пропускается электрический ток. Часть его протекает через участки проволоки, зажатой между двумя параллельными электродами, а часть – через токопроводящую пленку. Прохождение тока сопровождается сосредоточенным выделением тепловой энергии в месте контакта между соединяемыми деталями. Внешнее давление в сочетании с разогревом деталей до температур пластического состояния способствует образованию прочного соединения. Расстояние между двумя элементами электрода составляет два–три диаметра привариваемой про-

131

волоки. Сила сварочного тока, проходящего через верхние и нижние детали свариваемого соединения, зависит от их сопротивления. При этом могут образовываться три различных соотношения между сопротивлениямиверхней и нижней детали сварочного соединения:

–сопротивление материала обеих деталей одинаково;

–сопротивление верхней детали больше;

–сопротивление нижней детали больше.

При присоединении металлических проводников к металлизированным полупроводниковым структурам наиболее типичен третий вариант. Сварочныйтоквосновномпроходитчерезверхнююдеталь(проволоку), сопротивление которой с ростом температуры увеличивается. Ток разветвляется и начинает проходить через нижнюю деталь (металлизированную пленку), что приводит к выравниванию температур.

На рис. 5.16 представлена схема присоединения золотой проволоки к диодной кремниевой структуре, имеющей расширенный контакт, представляющий собой алюминиевую пленку 4, напыленную на слой SiO2 5.

Рис. 5.16. Схема присоединения вывода к диодной структуре методом расщепленного электрода:

1 – электрод; 2 – привариваемая проволока; 3 – сварная точка; 4 – омический контакт; 5 – оксидный слой; 6 – кристалл

Высокий локальный разогрев места сварки при такой геометрии структуры практически не влияет на свойства p–n-перехода.

Способом сварки с расщепленным электродом можно соединять проводники диаметром 20–150 мкм с различными тонкими пленками и выводами корпусов (подложек). При микроконтактной сварке строенным электродом (рис. 5.15, г) нагрев осуществляется трехфазным током, что создает более равномерный нагрев свариваемых деталей, требуется меньшая мощность свариваемого импульса и не про-

132

исходит перегрева проводника в межэлектродных зазорах. Однако

вполупроводниковом машиностроении преимущество имеют установки со сдвоенным электродом, как не требующие увеличения размеров контактных площадок и обеспечивающие присоединение электродных выводов сшиванием, т. е. последовательным выполнением первой и второй сварки (присоединение вывода сначала к контактной площадке кристалла, а затем к выводу корпуса). Важными для получения качественного соединения в процессе контактной микросварки являются форма и материал инструмента, который представляет склеенные через диэлектрическую прокладку с определенным зазором электроды, или отдельные электроды, закрепленные

всварочной головке, обеспечивающей регулирование зазора между ними. Материал электродов – молибден или вольфрам. Рабочие торцы электродов быстро изнашиваются, поэтому важным является правильный выбор формы и размеров торцов электродов.

мальная стойкость инструмента между переточками. Срок службы электродов составляет 30–40 тыс. сварочных циклов. Максимальную прочность привариваемых электродных выводов можно получить при оптимальном подборе длительности нарастания напряжения и тока сварочного импульса, а также усилия сжатия свариваемых деталей. Недостатки микроконтактной сварки – из-за неправильно подобранного режима возможны поломки полупроводниковых кристаллов (образование трещин), ухудшение электрических параметров, значительная деформацияэлектродныхвыводов вместе присоединения.

133

5.8. Присоединение выводов термокомпрессионной сваркой

Термокомпрессионная микросварка – метод сварки давлением с подогревом – используется для соединения в твердом состоянии металлов с металлами и полупроводниками при относительно невысоких удельных давлениях и нагреве до температуры ниже температуры образования эвтектики соединяемых материалов.

Метод состоит в том, что в результате силы, приложенной инструментом на проволочный вывод, лежащий или касающийся торцом металлизированной контактной площадки кристалла, при нагреве происходит пластическая деформация, создающая взаимную диффузию между соединяемыми элементами и образование прочного соединения.

В полупроводниковом производстве термокомпрессионная сварка применяется для монтажа гибридных проволочных выводов из золота, алюминия, меди к тонкопленочным контактным площадкам, к металлизированной поверхности полупроводниковых кристаллов и выводам корпусов. Для предотвращения разрушения соединения из-за остаточных напряжений один из соединяемых материалов при термокомпрессии должен обладать высокой пластичностью (гибкий проволочный вывод). Процесс присоединения проволочных выводов к кристаллу проводника (контактной площадке) термокомпрессионной сваркой представлен на рис. 5.18.

Рис. 5.18. Схематический процесс присоединения проволочного вывода

ккристаллу термокомпрессионной микросваркой и ее разновидности

взависимости от способа нагрева:

а– нагревтолькорабочегостолика; б– нагреврабочегоинструмента; в– одномерный нагрев рабочего столика и инструмента; 1 – рабочий инструмент – пуансон;

2 – присоединяемый проводник; 3 – подложка или кристалл полупроводникового прибора; 4 – рабочий столик; 5 – спираль для нагрева

134

Полупроводниковый кристалл закрепляют на специальном столике 4 нагревательной колонки. К кристаллу 3 одним из микроманипуляторов подводят золотую проволоку 2, а другим – рабочий инструмент – иглу-пуансон 1, которая прижимает проволоку к кристаллу с определенным удельным давлением. Перед проведением сварки поверхность кристалла тщательно очищается, а золотая проволока подвергается отжигу для увеличения пластичности.

Рабочий диапазон температур и давлений при термокомпрессии выбирают так, чтобы температура сварки была ниже температуры эвтектики соединяемых материалов, а давление таким, чтобы обеспечить деформацию металлического проводника на 30–60 %. Длительность процесса зависит от выбранных режимов и состояния поверхностей свариваемых контактной площадки и выводов.

Все соединяемые материалы при термокомпрессии можно разделить на три типа:

а) металлы с хорошей взаимной диффузией в твердом состоянии, образующие ряд твердых растворов (Ag-Au, Au-Cu). Они обладают наилучшей свариваемостью при соединении термокомпрессией;

б) материалы, образующие между собой низкотемпературные эвтектики (Al-Si, Au-Si); они обладают удовлетворительной свариваемостью;

в) металлы, взаимная диффузия которых приводит к образованию интерметаллических соединений и эвтектик (Au-Al, Au-Sn); они обладают удовлетворительной свариваемостью, но при их соединении требуется более тщательное соблюдение рекомендованных режимов.

На эффективность и качество соединения при термокомпрессии влияет окисление поверхности. Наиболее качественные соединения методом термокомпрессии получаются при сварке проводников с металлическими пленками непосредственно после их напыления на полупроводниковые пластины. Термокомпрессионная сварка выводов реализуется рядом разновидностей: по способу нагрева (рис. 5.18), по способу соединения (рис. 5.19), по типу образующегося соединения, обусловленного формой инструмента (рис. 5.20).

При сварке внахлестку (рис. 5.19, а) проволочный вывод накладывается на металлизированную контактную площадку, при этом ось вывода располагается параллельно плоскости контактной площадки. При сварке встык (рис. 5.19, б) конец проволочного вывода (ось вывода перпендикулярна плоскости контактной площадки) пред-

135

Торец рабочего инструмента может быть плоским, с поперечной канавкой и выступом. При сварке с помощью иглы-пуансона подача проволоки на контактную площадку, совмещение торца иглы с проволокой и контактной площадкой производятся раздельно, поэтому производительность такого способа сварки невелика. При сварке

спомощью капилляров проволока совмещена с рабочим инструментом. Капилляр «птичий клюв» из-за его сложности в настоящее время редко используется. Наиболее широко применяются капилляры

сцентральным отверстием и с боковой подачей. На торец капилляров обычно наносится формирующая канавка, которая ограничивает пластическое течение материала проволоки и принудительно увеличивает скорость пластического течения в приконтактной зоне, благодаря чему получается прочное соединение при небольших нагрузках на инструмент. В качестве материала рабочего инструмента используют синтетический корунд, твердые сплавы ВК-6М, ВК-15 и кера-

мику Al2O3 (для капилляров).

При присоединении и разводке выводов методом термокомпрессионной сварки используются две основные схемы:

1.На контактных площадках прибора и внешних выводах создаются нахлесточные соединения с помощью капилляра с боковой подачей.

2.На контактных площадках прибора создаются соединения встык,

ана внешних выводах – нахлесточные соединения с помощью капилляра с центральным отверстием.

Более предпочтительна вторая схема, так как прочность свариваемых соединений, выполненных встык, значительно выше прочности соединений внахлестку. Чтобы исключить замыкание на край кристалла и компенсировать механические напряжения, возникающие при перепадах температур, вблизи мест приварки соединительный проводник должен иметь изгибы (петли). Проволока перед сваркой проходит операции подготовки: обезжиривание, при необходимости термоотжиг в стационарных печах и на установках непрерывного отжига. Для присоединения золотой и алюминиевой проволок к траверсам корпусов транзисторов, к подложкам и корпусам ГИС, изготовленных из ковара, никеля, ситалла, покрытых золотом, наиболее успешно используется сварка с косвенным импульсным нагревом. Процесс сварки представлен на рис. 5.21.

137

Рис. 5.21. Термокомпрессионная сварка с косвенным импульсным нагревом V-образным электродом:

1 – инструмент; 2 – электродная проволока; 3 – кристалл; 4 – корпус (подложка); 5 – столик

Под необходимым давлением P приводятся в контакт инструмент, металлический проводник и кристалл полупроводника. Затем через инструмент пропускается импульс тока длительностью 0,01–2,00 с. При этом торцевая часть инструмента разогревается, вместе с ним нагревается металлическая проволока и кристалл полупроводника. Под воздействием приложенного давления происходят осадка металлического проводника и образование соединения.

При термокомпрессионной сварке золотой проволоки и Al контактных площадок возможно образование интерметаллических соединений, ухудшающих качество и надежность сварных соединений. Визуальный осмотр соединений является наиболее распространенным методом контроля. Качество готовых узлов проверяют 100%-м осмотром под микроскопом на соответствие требованиям чертежа. Зона сварки не должна быть смещена за границы контактной площадки. Деформация выводов должна составлять 30–60 % от его толщины. Дефекты в структуре полупроводникового кристалла, возникшие в процессе присоединения выводов, также выявляются по электрическим характеристикам прибора. Например, резкое увеличение обратных токов и падение пробивного напряжения диодной структуры свидетельствует о возможных микротрещинах в объеме полупроводникового кристалла, образовавшихся в результате термокомпрессии. Для выполнения операций термокомпрессионной микросварки разработано и действует в промышленности большое число специа-

138

лизированных установок. К достоинствам термокомпрессионной микросварки относятся стабильность процесса микросварки, высокая стойкость сварочного инструмента, легкая регулировка и нечувствительность к небольшим изменениям режима сварки.

Ее недостатки связаны с необходимостью подогрева свариваемых деталей до температуры 350–400 C. При термокомпрессионной сварке возможно образование интерметаллических соединений, ухудшающих качество и надежность свариваемых соединений.

5.9. Присоединение выводов пайкой

Присоединение выводов пайкой применяется при изготовлении мощных полупроводниковых приборов (выпрямительных диодов, транзисторов, СВЧ-диодов), а также для монтажа гибких проволочных выводов к тонкопленочным (предварительно облуженным) контактным площадкам в гибридных микросхемах. Пайку выводов мощных полупроводниковых приборов выполняют низкотемпературными припоями на основе олова, свинца, индия в печах непрерывного и периодического действия в атмосфере защитного газа. При этом детали прибора собираются в определенной последовательности в кассетах (рис. 5.22), фиксируя их в нужном положении относительно друг друга. Припой в виде детали определенной формы и размеров закладывают между соединяемыми элементами. Иногда припой предварительно наносят гальваническим способом на конец плоских выводов или электрохимическим способом в виде шарика – на конец проволочного вывода. Кассеты изготовляют из термостойких материалов, несмачиваемых или плохо смачиваемых расплавленным припоем. При пайке выводов в термических установках роль флюса выполняет водород (или его смесь с азотом), восстанавливающий оксиды на поверхностях соединяемых деталей и припоя, а также предохраняющий их от окисления.

Процесс присоединения электродных выводов складывается из нескольких этапов: нагрева деталей до максимальной температуры пайки, выдержки при этой температуре и охлаждения с определенной

температурой до 50–100 С. Охлаждаться спаянные детали могут вместе с печью и в специальных холодильниках, являющихся продолжением печи непрерывного действия (конвейерных термических установках). При присоединении электродных выводов с нагревом

139