Tekhnologiya_sborki_integralnyh_skhem

Наиболее широко в полупроводниковой промышленности используется припой Sn-Pb эвтектического состава (ПОС-61), а также припой на основе свинца с присадкой серебра. Для получения качественных паяных швов и экономии припоя применяют дозирование припоев. Простейший способ дозирования – применение штампованных шайб и колец. Для пайки круглых деталей припой готовится в виде колец навивкой на оправку проволоки и последующей ее разрезкой по образующей. Припой в нужных количествах в виде рисунка наносят методом трафаретной печати, для чего приготавливают пасту, состоящую из тонко измельченного порошка припоя и связующего вещества. Для улучшения условий смачивания применяют флюсы, газовые среды и другие средства.

Флюсы – неметаллические вещества, служащие для удаления оксидной пленки с поверхности припоя и паяемого материала, для предотвращения образования ее при пайке. К флюсам, используемым при пайке, предъявляются следующие требования: температура плавления флюса должна быть ниже температуры начала плавления припоя. К началу плавления припоя флюс должен смачивать поверхность основного материала. При температуре пайки расплавленный флюс должен полностью удалять оксиды и защищать от окисления основной материал и припой. Флюс не должен терять активности и защитных свойств при длительном нагреве. Продукты флюсования не должны способствовать активному развитию коррозии паяных соединений. Флюс состоит из основы, растворителя ок-

60

сидной пленки и активных флюсующих веществ. Эти компоненты иногда сочетаются в одном веществе. Процесс флюсования заключается в смачивании основного металла и припоя флюсом, удалении с них оксидных пленок, вытеснении флюса из зазора расплавленным припоем и защите места пайки от окисления образовавшимся шлаком. Флюсы проявляют свое действие в определенном интервале температур, который называют температурным интервалом активности флюсов. В зависимости от температуры плавления припоев флюсы подразделяются на флюсы для низкотемпературной пайки и флюсы для высокотемпературной пайки. Наибольшее применение в производстве полупроводниковых приборов и ИМС находят антикоррозийные флюсы для низкотемпературной пайки. К ним относятся канифоль; остатки канифольного флюса не поглощают влаги и не вызывают коррозии места пайки. Кроме канифольных используются флюсы на основе хлористого цинка. Типы флюсов, используемых в производстве полупроводниковых приборов и ИМС и их физико-химические свойства приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Физико-химические свойства флюсов

Флюсы используют не только для удаления оксидной пленки, но

идля предохранения поверхности металлов от окисления.

Вполупроводниковом производстве часто применение флюсов недопустимо и тогда используют различные технологические газо-

61

вые среды и вакуум (рис. 3.9). По характеру воздействия на металл газовые среды делятся на нейтральные (аргон, азот) и восстановительные (водород). Возможность пайки в среде определяется стойкостью оксида и активностью самой газовой среды. Чаще применяют пайку в восстановительных средах, реже в нейтральных и редко – в вакууме. Основной восстановительной средой для пайки в полупроводниковом приборостроении является водород, сухой, очищенный от примеси. Во время пайки он интенсивно поглощается металлом, вытесняя другие в металле газы, и легко удаляется сам при обезгаживании приборов.

Рис. 3.9. Способы удаления оксидной пленки в процессе пайки

Вкачестве нейтральных сред для пайки также используется азот

саргоном, причем азот применяется тогда, когда нагреваемые материалы не образуют с ним нежелательных соединений. Во время пайки в вакууме образующийся в процессе диссоциации оксид непрерывно удаляется.

3.8. Оборудование для пайки. Оборудование для эвтектической пайки

Монтаж кристаллов в корпуса полупроводниковых приборов и микросхем эвтектической пайкой выполняют на специальных установках (типа ЭМ-415 и ЭМ-438).

Установка ориентированной пайки кремниевых кристаллов к позолоченным ножкам (рис. 3.10) состоит из стола, механизмов перемещения, нагружения и привода рабочего инструмента 6, микроскопа 1 с держателем 2, нагревателя 5, газовой и вакуумной систе-

62

мы и электрооборудования. Пайку кристаллов к ножкам выполняют под бинокулярным микроскопом 1 на держателе 2, позволяющем устанавливать его в нужном положении. В поле зрения микроскопа – инструмент, стойка с кристаллами и расположенная на нагревателе ножка, вокруг которой создается защитная газовая среда. Охлаждаются ножки с кристаллами обдувом через отверстия в инструменте. Действия газовой и вакуумной систем управляются с помощью электромагнитных клапанов. Электрооборудование установки обеспечивает подачу энергии к нагревателю, вибратору и автоматическое управление режимом пайки и сигнализации.

Рис. 3.10. Установка ЭМ-415 для пайки кристалов:

1 – микроскоп; 2 – держатель микроскопа; 3 – вибратор; 4 – стойка; 5 – нагреватель; 6 – рабочий инструмент

Установка ЭМ-438 имеет шесть исполнений, что позволяет использовать ее для монтажа кристаллов, на которые оказывается ультразвуковое воздействие.

На основании установки размещены механизмы перемещения инструмента, подача ленты и кристаллов, бинокулярный микроскоп, пульт управления, электрооборудование с блоками питания, терморегулятором и ультразвуковым генератором. Механизм перемещения (рис. 3.11) служит для захвата кристаллов, их транспортировки к месту монтажа специальным инструментом, совершающим движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

63

Рис. 3.11. Установка ЭМ-438 (механизм перемещения):

1 – корпус; 2 – направляющая; 3 – груз; 4, 5, 6 – шестерни; 7 – червячный редуктор; 8 – электродвигатель; 9 – рычаг; 10 – кронштейн с толкателем и роликом;

11 – рабочий инструмент

Перемещение монтажной головки с инструментом 11 в горизонтальной плоскости (вперед-назад) осуществляется от электродвигателя 8 через червячный редуктор 7, шестерни 4, 5, 6, вал, кривошип – рычагом монтажной головки. Движение инструмента в вертикальной плоскости (подъем и опускание) осуществляется от электродвигателя через червячный редуктор, шестерни, рычаг 9 и толкатель 10, который своим роликом воздействует на планку монтажной головки. Управляют механизмом перемещения бесконтактные выключатели. Механизм подачи ленты обеспечивает перемещение на заданный шаг из левой кассеты в правую с одновременным подогревом места монтажа кристалла до необходимой температуры нагревателя. Бинокулярный микроскоп осуществляет визуальное наблюдение за монтажом кристалла. На пульте управления установкой, расположенной над механизмом перемещения инструмента, находятся кнопки управления, сигнальные лампочки и прибор контроля температуры нагревателя.

Электрооборудование (в тумбах стола): блоки питания и управления временем пайки, движением координатного стола и работой установки, терморегулятор, блок питания 27 В и ультразвуковой ге-

64

нератор. Начало работы – нажатие кнопки питания и включение терморегулятора нагрева ленты с заданием температуры. При работе в автоматическом режиме инструмент опускается, захватывая кристалл и удерживая его вакуумом, а затем поднимается. Далее включается импульсный подогрев инструмента и координатный столик перемещается на один шаг, инструмент подходит к месту пайки кристалла (ленте, ножке), опускается на него, и включается ультразвуковой генератор. Происходит пайка кристалла к ленте или ножке. После истечения времени пайки выключается импульсный подогрев инструмента и ультразвуковой генератор, а включается обдув кристалла. Далее происходит подъем инструмента, выключение обдува кристалла и перемещение ленты на шаг, после чего цикл работы установки повторяется.

3.8.1. Оборудование для пайки корпусов

Пайку корпусов выполняют в электропечах двух типов: периодического действия – колпаковых, непрерывного – конвейерных. Эти печи могут использоваться для герметизации полупроводниковых приборов и микросхем в корпуса, а также для пайки кристаллов к ножкам.

Колпаковая электропечь имеет два колпака, два механизма их перемещения, две газовые системы охлаждения и по одной системе питания и автоматического регулирования температуры. Поэтому нагрев деталей в колпаках может быть только поочередным. Двойные элементы печи имеют одинаковое устройство. Колпак состоит из корпуса и привернутой через прокладку крышки, изготовленных из нержавеющей стали и имеющих двойные стенки (водяную рубашку). С боков корпуса приварены цапфы, за которые его перемещают. Внутри колпака расположено шесть экранов для теплоизоляции и концентрации тепла в его рабочем пространстве. Внутри колпака расположен трехсекционный нагреватель. Подъем и опускание колпака выполняет расположенный внутри шкафа электропечи механизм перемещения. Газовая система служит для удаления воздуха из подколпачного объема и создания восстановительной технологической среды. Система охлаждения обеспечивает отбор тепла проточной водой у нагреваемых элементов печи. Система автоматиче-

65

ского регулирования обеспечивает программное и ручное управление температурой нагрева деталей.

Конвейерная электропечь (рис. 3.12) состоит из приборных оснований 6, камер загрузки 1 и разгрузки 4, нагревательных камер 2 рабочего канала, водяных холодильников, привода конвейерной ленты, систем: газовой, охлаждения, питания и автоматического регулирования температуры.

Рис. 3.12. Конвейерная электропечь:

1 и4 – камерызагрузкииразгрузки; 2 – нагревательныекамеры; 3 – пультуправления системой охлаждения; 5 – пульт управления газовой системой; 6 – приборные основания; 7 – терморегулирующие приборы тепловой автоматики;

8 – пульт управления конвейерной лентой

Камера загрузки представляет металлическую сварную конструкцию, в нижнюю часть которой вводится азот для создания воздушной завесы, а также трубка с проволочным резистором для отвода и сжигания водорода. Специальные ролики позволяют перемещаться камере загрузки при удлинении и сжатии рабочего канала. Камера разгрузки аналогична камере загрузки. Нагревательные камеры имеют цилиндрическую форму и состоят из основания и крышки. Проволочные нагреватели подвешены к футировке основания. В нагревательные камеры введены токовводы и термопары. Водяные холодильники служат для снижения температуры выходящих из печи изделий.

66

Привод конвейерной ленты состоит из электродвигателя постоянного тока и редуктора. Газовая система обеспечивает удаление воздуха из нагревательных камер, создание необходимой рабочей атмосферы и завес на входе и выходе из рабочего канала. Все органы управления и контрольные приборы газовой системы расположены под разгрузочной камерой. Электропечь получает питание от промышленной сети переменного тока и имеет автоматическую систему регулирования температуры по восьми одинаковым каналам.

3.9.Сварка в производстве полупроводниковых приборов

иИМС

Сваркой называют технологический процесс образования неразъемного соединения двух материалов путем их местного сплавления или совместного деформирования, в результате чего возникают прочные связи между атомами соединяемых тел.

Поверхностные атомы металла имеют свободные ненасыщенные связи, с помощью которых захватывается всякий атом, приблизившийся на расстояние действия сил межатомного взаимодействия. При сближении поверхности двух металлов на расстояние действия сил межатомного взаимодействия по поверхности соприкосновения происходит сращивание двух металлов в одно монолитное целое соединение прочностью, равной прочности металла.

При производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем необходимо учитывать ряд особенностей, возникающих при сварке: малые толщины соединяемых элементов (от единиц до сотен микрометров); жесткие ограничения по термомеханическим воздействиям на соединяемые элементы; неизменность физико-меха- нических свойств сварного контакта при термостарении.

Способы сварки классифицируют по разным признакам, например, по виду энергии, используемой при сварке, по состоянии, свариваемых металлов, по наличию или отсутствию усилия.

3.9.1. Термокомпрессионная сварка

Термокомпрессия – это процесс соединения двух материалов, находящихся в твердом состоянии, при воздействии на них тепла и давления. Температура нагрева соединяемых термокомпрессией

67

материалов не должна превышать температуру образования их эвтектики и один из материалов должен быть пластичным.

На поверхности соединяемых полупроводникового кристалла

иэлектродной проволоки имеется множество выступов и впадин. Если приложить давление к электродному выводу и нагревать полупроводниковый кристалл, произойдет пластическая деформация микровыступов электродного вывода и частичная деформация микровыступов вывода и взаимное затекание соединяемых материалов

вмикровпадины, то есть термокомпрессионная сварка. При такой сварке образуется прочная адгезия между полупроводниковым кристаллом и электродным выводом и создается надежный электрический контакт, причем чем пластичнее материал электродных выводов, тем больше коэффициент адгезии. Золото и алюминий по сравнению с другими материалами имеют наибольший (1,84) коэффициент адгезии. В производстве полупроводниковых приборов термокомпрессией соединяют следующие пары металлов: Au-Si, Au-Ge, Au-Al, Al-Al, Au-Ag, Al-Ag. Присоединение электродных выводов термокомпрессией выполняется в виде одной или нескольких плоских точек, шарика, а также встык и внахлестку. В зависимости от принятого технологического процесса термокомпрессию разделяют на шариковую, клином, сшиванием.

Шариковая термокомпрессия (рис. 3.13, а) реализуется: шарик 5

на конце проволочного вывода может быть получен оплавлением электродной проволоки 1 в пламени водородной горелки 4 или прикосновением к электрическому разряднику.

При оплавлении в водородном пламени получают один или два шарика: один остается свободным на конце уже присоединенного вывода, а другой находится в капилляре 3 (инструменте) и предназначен для приварки очередного электродного вывода к кристаллу 7

иконтактной площадке 8. Один шарик в водородном пламени получают, если горелку используют только для оплавления конца проволоки в шарик, выходящий из капилляра, а не для отделения присоединенного электродного вывода.

Спомощью разрядника на конце проволоки образуется только один шарик, которым электродный вывод присоединяют к контактной площадке кристалла. Второй конец электродного вывода присоединяется к корпусу 9 внахлестку.

68

аб

в

г

Рис. 3.13. Виды соединения термокомпрессионной сваркой (ТКС):

а – шариковая ТКС; б – ТКС клином; в – ТКС сшиванием; г – ТКС с использованием птичьегоклюва; 1 – электроднаяпроволока; 2 – зажимноеустройство; 3 – капилляр (рабочий инструмент); 4 – водородная горелка; 5 – шарик; 6 – электродный вывод; 7 – кристалл; 8 – контактная площадка; 9 корпус (подложка); 10 – форма места соединения; 11 – клин; 12 – сопло; 13 – ножницы; 14 – птичий клюв

Термокомпрессия клином (рис 3.13, б): сначала необходимо совместить контактную площадку 8 кристалла 7 с инструментом, конец электродной проволоки 1 (вывода) с концом инструмента – клин 11. Затем после сварки, вытянув проволоку из сопла 12, проделать те же манипуляции для присоединения второго конца проволоки 1 к корпу-

69