Технология сборки интегральных схем

электрическим током импульс тока пропускается непосредственно через соединяемые детали или используется дополнительный контакт, место пайки (электродный вывод и контактная площадка) также нагревается спиралью, через которую пропускают импульс тока. Пайка электродных выводов выполняется также специальным паяльником с миниатюрным наконечником.

Рис. 5.22. Кассета с загруженной арматурой для пайки в печи: 1 – держатель; 2 – втулка кассеты; 3 – грузы; 4 – вывод; 5 – кассета;

6 – припаянные шайбы

Для обеспечения хорошего смачивания при пайке в водороде на паяемые поверхности наносятся покрытия из Ni, Au, Cu, и других металлов или припой на одну или обе паяемые поверхности. Пайку под давлением круглых и плоских выводов или перемычек к контактным площадкам ИМС и других деталей можно осуществлять паяльником групповым методом на установках ЭМ-439. При этом для обеспечения флюсовой пайки на паяемые поверхности плат микросхем и выводов наносят легкоплавкие припои (ПОС-61, ПОИ-50). Одна из соединяемых поверхностей может быть покрыта золотом. Недостатком данного способа пайки является то, что в процессе отвода инструмента (паяльника) от места пайки или снятия паяемого изделия с нагревательного столика установки могут сместиться выводы относительно контактных площадок плат микросхем. Широкое распространение получил способ пайки давлением с импульсным нагревом места пайки. При этом методе смещения выводов относительно контактных площадок не происходит из-за практически мгновенной кристаллизации паяного шва соединения благодаря небольшой длительности импульсного нагрева (не более 1–3 с) и локальному ра-

140

зогреву места пайки. Бесфлюсовая пайка под давлением импульсным нагревом осуществляется с помощью V-образного инструмента на установках односторонней контактной сварки. В табл. 5.1 приведены типы припоев, используемых при пайке проволочного монтажа гибридных микросхем и выводов полупроводниковых приборов.

Таблица 5.1

Некоторые типы припоев, используемые при присоединениивыводов полупроводниковых приборов и микросхем пайкой

При пайке электродных выводов наблюдается ряд дефектов: смещение вывода относительно контактной площадки кристалла (платы), непропай (недостаточное растекание припоя и заполнение им зазоров), образование трещин в кристаллах и закороток различных областей p–n-переходов или соединений контактных площадок (токопроводящих дорожек). Это недостаток метода.

5.10. Проволока для электродных выводов

Наиболее слабым звеном в полупроводниковых приборах (в СВЧтранзисторах) являются электродные выводы, изготавливаемые из металлической проволоки диаметром от 8–10 мкм до 50–60 мм. Электродные выводы должны обладать высокой прочностью на растяжение и сжатие при испытаниях полупроводниковых приборов на климатические и механические воздействия в эксплуатации, хорошо деформироваться при присоединении к контактным площадкам, а также иметь высокую электропроводность. Такими свойствами обладает проволока из золота, сплава Ag–Au и алюминия. Проволока, получаемая протягиванием (волочением) через волоки, должна иметь чистую,

141

без посторонних включений, трещин, раковин, расслоений и вмятин поверхность. Допускаются незначительные дефекты в виде рисок и уколов. Особой сложностью изготовления отличается золотая проволока диаметром 8–15 мкм, получаемая волочением в медной оболочке, при стравливании которой обнаруживаются скрытые дефекты, вызывающих ее неоднородность по химическому составу. Для повышения надежности полупроводниковых приборов разработана и изготовляется литьем проволока из сплава Ag-Au (МлСрЗл 850). Литая проволока, полученная непосредственно из жидкой фазы, имеет незначительные структурные дефекты. Изготовление золотой проволоки диаметром от 20 мкм и более осуществляется по отработанной технологии. До диаметра 200 мкм такая проволока поставляется только твердой и диаметром более 200 мкм – твердой или мягкой. Механические свойства проволокииз Ag, Au и их сплавов приведены в табл. 5.2.

Алюминиевую проволоку для электродных выводов диаметром от 15 до 70 мкм твердую АТ, полутвердую АПТ и мягкую АМ получают волочением через алмазные волоки со смазкой 1–2%-м раствором мыльной эмульсии. Временное сопротивление разрыву проволоки АТ, АПТ, АМ всех диаметров должно быть не менее 96,98–225,73 Н/мм2,

а удельное электрическое сопротивление 0,028 Ом мм2/м.

Кроме алюминиевой проволоки в производстве полупроводниковых приборов применяют алюминиевую плющенку, которую изготовляют из проволоки. Из проволоки диаметром 140 мкм получают плющенку толщиной 30 и шириной около 250 мкм.

142

5.11.Методы микромонтажа кристаллов БИС

5.11.1.Ультразвуковая микросварка и микромонтаж кристаллов на ленточных носителях

Как известно, автоматизированную сборку многих типоконструкций плоских корпусов микросхем средней степени интеграции и БИС

свысокой производительностью выполняют на ленточных носителях – рамках, имеющих перфорацию и траверсы для соединения

скристаллом. Переход на медные рамки с локальным покрытием серебром, имеющие большую теплопроводность и технологичность, требует снижения температуры разварки межсоединений и повышения их качества.

Разварка в типовом режиме ТКС при температурах 300–330 °С на установках ЭМ-4060, ЭМ-4060П приводит к окислению медной рамки и ухудшению качества серебряного покрытия. Окисление рамки снижает воспроизводимость последующих технологических операций, в частности герметизации методом литьевого прессования (повышенное облоеобразование); а также ухудшает качество зачистки рамок от облоя; увеличивает трудоемкость, снижает качество корпуса при гидроабразивной зачистке, создает необходимость удаления оксидов с поверхности рамки перед лужением и, следовательно, затрудняет создание качественного гальванического покрытия сплавом олово-висмут (или горячего лужения).

Хотя в микромонтажном автомате ЭМ-4060П предусмотрен режим ТЗС, реальная конструкция генератора и преобразователя не позволяет добиться хорошего качества разварки в режиме термозвука при сравнительно низких температурах (200–240 °С), который в полной мере обеспечен на установках разварки модели 1484 фирмы Kulicke and Sofa (США). Для повышения качества сварки был доработан автомат ЭМ-4060П в части усовершенствования УЗ-генератора, преобразователя и блока формирования шарика (БФШ). Это дало возможность снизить температуру разварки при наложении УЗ-колебаний до 230–250 °С. Однако в процессе отработки режима ТЗС в условиях

производства отмечено, что существующие конструкции столика и прижима не обеспечивают надежное, жесткое закрепление выводов рамки, что является необходимымусловием ТЗ- и УЗ-сварки.

143

В процессе соединения проволочных выводов с контактными площадками кристалла методом ТЗС встык шариком для обеспечения качественного сцепления материала проволочного вывода с материалом контактных площадок при наложении температуры, давления и ультразвуковых колебаний шарик деформируют, создавая таким образом требуемую площадь сцепления. Степень деформации шарика, а именно его остаточная толщина («высота» сварного соединения) после образования сварного соединения на кристалле, является одним из критериев оценки качества проведения сборочных операций таких микросхем.

При квалификационной аттестации процессов сборки микросхем проводится оценка уровня состояния технологического процесса микросварки как по величине прочности микросварных соединений на разрыв и на сдвиг, так и по величине остаточной «толщины шарика» на кристалле, которая по техническим требованиям этих фирм должна составлять10–30 мкм (для проволоки диаметром25 мкм при ТЗС).

Степень обжатия при формировании микросварного соединения

K D H , D

где D – диаметр проволоки (шарика) в исходном состоянии; Н – высота микросварного соединения после обжатия.

Схема контроля геометрических размеров при формировании микросварного соединения приведена на рис. 5.23.

Рис. 5.23. Схемаконтролягеометрическихразмеровв зонемикромонтажакристаллов: А, В, С, D, Н – характеристические размеры

144

Результаты контроля геометрических параметров соединений микропроволоки и контактных площадок приведены в табл. 5.3.

В промышленности Беларуси освоены технологии разварки выводов из микропроволоки по 14-выводной медной рамке с серебряным покрытием толщиной 3–5 мкм на различных типах отечественных и импортных установок.

Сравнительные данные по механической прочности формируемых микромонтажных соединений на разрыв при различных режимах разварки медных рамок с серебряным покрытием и данные по прочности сварных соединений (шариков на кристалле) на сдвиг, выполненные проволокой 25 мкм фирмы Herraus, имеющую собственную прочность 11,5 сН, приведены в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Прочность микросварных соединений

Окончание табл. 5.4

Анализ приведенных данных показывает, что внедрение процесса с оптимальными режимами ТЗС, кроме снижения степени окисления рамки, позволяет увеличить механическую прочность микромонтажных соединений на разрыв и прочность сварного соединения на сдвиг. Изменение их конструкции с целью исключения образования пьедестала под выводы рамки на столике и использование в производстве прижимающего выступа на прижиме способствовали более равномерному обжатию выводов рамки и высокому качеству ТЗС при температуре 230–250 °С.

УЗ-микросварку алюминиевых проволочных выводов марки А999К0.9 толщиной 35 мкм можно выполнять на полуавтомате ЭМ-4020 при мощности колебаний 0,15 Вт, времени сварки 0,1 с, давлении на сварочный капилляр 20 сН и фиксацией усилия с точностью ±1,5 %. Прочность сварных соединений Рср определялась как среднее арифметическое значение ряда распределения, включающего 100 замеров:

где Рi – среднее значение прочности в интервале; п – количество значений в интервале;

l – количество интервалов.

ПритермокомпрессионноймикросваркенаавтоматахтипаЭМ-4060, ЭМ-4060П добиться столь высокой степени деформации микросварного соединения, как на автомате разварки 1484, не удается. Это обусловлено, с одной стороны, трудностью обеспечения условий для

146

проведения с высокой воспроизводимостью процесса формирования шарика с минимальным диаметром, а «раздавить» шарик большого диаметра (около 90 мкм) до остаточной толщины 30 мкм практически невозможно, и, с другой стороны – тем, что при ТКС регулировать степень деформации шарика можно только давлением, в отличие от ТЗС, гдедополнительно накладываютсяУЗ-колебания (табл. 5.5).

Таблица 5.5

Деформация микросварного соединения

При ТЗС совместное действие температуры, энергии УЗ-колеба- ний и усилия нагружения рабочего инструмента обеспечивает оптимальную степень обжатия. Анализ влияния температуры столика при ТКС показал также, что, как и в случае ТКС, степень деформации сварного соединения практически не зависит от температуры сварки в диапазоне, обеспечивающем образование качественных микросварных соединений (300–340 °С).

Важной технологической операцией является оценка прочности микросварных соединений, полученных термокомпрессионной и термозвуковой сваркой золотой проволокой после термоциклических воздействий. Для определения устойчивости микросварных соединений к термоциклам медные рамки с кристаллами и разваркой кристаллов золотой проволокой диаметром 25 мкм методами ТКС и ТЗС подвергаются испытаниям в диапазоне температур от –60 до +150 °С (по 10 мин при каждой температуре). Прочность микромон-

147

тажных соединений на разрыв и «прочность шарика» (на кристалле) на сдвиг непосредственно после разварки и проведения 10 и 30 циклов воздействия приведены в табл. 5.6.

Таблица 5.6

Прочность соединения после термоциклических воздействий

Исследования показывают, что до 10 циклических воздействий температур практически не оказывают влияния на прочность микросварных соединений золотой проволокой, полученных при ТКС и ТЗС. После испытаний в течение более 10 циклов отмечено снижение прочности сварных соединений на разрыв на 12 %, полученных термокомпрессионной сваркой. При этом снижается «прочность шарика» на сдвиг на 17 %, увеличивается разброс по величине прочности сцепления сварного соединения золото-алюминий контактной площадки кристалла, полученного методом ТКС. После 30 термоциклов отмечено некоторое снижение прочности микромонтажных соединений на разрыв, полученных ТКС. При этом также снижается «прочность шарика» на сдвиг, увеличивается разброс величины прочности сцепления микросварного соединения золота с алюминиевой контактной площадкой кристалла.

ТЗС, как показывает результат проведенных исследований, более устойчива к термоциклическим воздействиям и после проведения термоциклов; изменений как прочности сцепления шарика с контактной площадкой кристалла (шарик на сдвиг), так и прочности микромонтажных соединений на разрыв практически не происходит.

Одним из критериев оценки качества проведения микромонтажных операций является оценка дефектности монокристалла под контактными площадками. Для этого образцы после проведения микросварки подвергались травлению в растворе ортофосфорной кислоты для удаления металлизации (пленки на основе алюминия) на контактных

148

площадках. После стравливания металлизации производится оценка внешнего вида кристаллов (зон контактных площадок) под бинокулярным оптическим микроскопом при80–200-кратном увеличении.

После стравливания металлизации с контактных площадок кристаллов, которые прошли цикл операции ТКС золотой проволокой диаметром 25 мкм при температуре 340–345 °С и давлении 60–65 сН, на контактных площадках выявлены нарушения структуры кремния («выколы»), что указывает на неоптимальный режим формирования микромонтажных соединений. На кристаллах, прошедших режим ТЗС (Т = 240 °С), дефектов структуры кремния в зонах контактных площадок не выявлено.

Таким образом, анализ дефектности монокристаллического кремния в зонах контактных площадок показывает, что установленные в результате проведенных экспериментальных исследований режимы термозвуковой сварки являются предпочтительными, так как вероятность обнаружения нарушений структуры кремния под контактными площадками кристаллов меньше, астепень обжатиядостигает60 %.

149