17 Лекция №16. Получение межсоединений элементов микросхемы (металлизация). Проверка микросхем, упаковка

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

17.1 Основные вопросы

- металлизация;

- разделение пластины на кристаллы;

- методы герметизации, контроль герметичности.

17.2 Текст лекции

17.2.1 Получение межсоединений элементов МС, разделение пластины на кристаллы – до 30 мин

Заключительными технологическими операциями при производстве полупроводниковых МС являются: металлизация, контроль качества, скрайбирование, резка на кристаллы, монтаж в корпус, герметизация.

Проводники на поверхности кристалла полупроводниковой ИМС создаются по тонкопленочной технологии на основе тонких пленок толщиной 0,1...2 мкм. Высокая точность по толщине и химическая чистота для тонких пленок могут быть достигнуты только при выращивании слоя из атомарного (молекулярного) потока.

В полупроводниковых МС может быть не один, а несколько слоев металлизации, разделенных слоями оксида кремния или другого диэлектрика.

Для межэлементных соединений современных ИМС используется преимущественно медь, но могут использоваться и другие металлы: золото, алюминий.

Перед металлизацией производят операцию окисления. Затем в оксидной пленке методом фотолитографии вскрывают окна над местами контактов и напыляют сплошную пленку меди. Необходимый рисунок межсоединений получают также фотолитографией.

В процессе изготовления полупроводниковых МС сохраняют как можно дольше единство подложки. Последняя операция на пластине – проверка отдельных МС (с помощью зондов и т.п.).

После того, как выполнены все технологические операции на пластине, ее разделяют на отдельные кристаллы. Перед разделением пластина наклеивается на самоклеющуюся фольгу, чтобы избежать потери кристаллов. Пластины на отдельные кристаллы разделяют путем скрайбирования и последующей ломки.

Сущность скрайбирования заключается в нанесении на поверхность пластины со стороны структур рисок в двух взаимно перпендикулярных направлениях по границам МС. Риски наносят алмазным резцом или лазером.

17.2.2 Монтаж МС в корпус, герметизация, контроль герметичности – до 60 мин

Метод крепления кристаллов МС на основании корпуса зависит от выбора материала присоединительного слоя, который должен обеспечивать эффективный отвод теплоты от МС в корпус, согласование температурных коэффициентов расширения соединяемых элементов в широком диапазоне рабочих температур, стойкость к динамическим воздействиям. В отдельных случаях присоединительный слой должен быть электропроводным.

Процесс крепления кристаллов МС к основанию корпуса можно условно разделить на три этапа: 1) подготовка поверхности основания и нанесение присоединительного материала (клея, стекла, припоя); 2) ориентированная установка кристалла (подложки) на основание; 3) собственно присоединение (в общем случае выполняется под давлением и с нагревом).

Сеткографический способ является наиболее точным и производительным способом нанесения присоединительного материала, обладающего свойствами пасты (клей, суспензия стекла, лудящая паста). Этот способ позволяет обеспечить точную дозировку присоединительного материала, а следовательно, высокую воспроизводимость геометрических размеров соединения. Конструкция корпуса МС должна при этом обеспечивать возможность плотного прилегания сетки к основанию.

Собственно присоединение можно выполнять индивидуально для каждого кристалла на специальных технологических установках (обычно при соединении пайкой) или групповым способом в кассетах под необходимым давлением с общим нагревом в печах или термостатах (соединения стеклом или склеиванием).

Клеевые соединения используют для МС и компонентов пониженной мощности. Технология клеевых соединений проста и применяется для широкого круга материалов и диапазона рабочих температур. Клеевые соединения стойки к вибрациям.

Пайка стеклами позволяет достичь хорошего согласования соединяемых материалов по ТКР, так как, варьируя состав стекла, можно изменять его температурный коэффициент расширения в широких пределах. Пайку стеклом в основном применяют для крепления керамических, поликоровых и ситалловых подложек. Технология пайки стеклом сводится к нанесению суспензии (пасты) стеклянного порошка в деионизованной воде на очищенную поверхность, сжатию соединенных деталей в приспособлении-кассете, сушке и последующему оплавлению в печи с контролируемой атмосферой.

Пайка металлическими сплавами обеспечивает высокую электропроводность соединения, механическую прочность, хорошее согласование по температурному коэффициенту расширения. В качестве присоединительного слоя можно использовать мягкие припои, такие, как Аu-Sn, Pb-Sn-Ag и др. Припой вводят в место соединения в виде фольговых дисков или наносят в виде пасты трафаретным способом.

Герметизация микросхем и микросборок. Защиту МС и микросборок от механических повреждений и воздействия окружающей среды обеспечивают использованием различных методов герметизации. Различают корпусную (с использованием полых или монолитных конструкций) и бескорпусную герметизацию.

Бескорпусная герметизация (методом обволакивания, методом свободной заливки, прессованием) широко применяется для пластмассовых корпусов.

Большинство полупроводниковых приборов и ИС. используемых в бытовой и электронно-вычислительной аппаратуре, выполняют в пластмассовых корпусах Для герметизации МС используют различные полимеры с добавками, влияющими на пластичность, текучесть, цвет, скорость отвердения пластмасс. По сравнению с другими методами процесс герметизации пластмассами характеризуется высокой производительностью, относительно низкой стоимостью и простотой.

При герметизации обволакиванием вокруг МС создается тонкая пленка полимерного материала. Для обеспечения механической прочности и герметичности полупроводниковых приборов и МС наносят несколько слоев герметизирующего состава с предварительным подсушиванием каждого слоя. Метод герметизации обволакиванием характеризуется устойчивостью защищаемых приборов к воздействию влажной атмосферы, простотой процесса, малым расходом герметизирующего материала, возможностью применения групповых методов обработки. К недостаткам метода обволакивания МС относятся трудность нанесения равномерного по толщине покрытия, длительность процесса сушки на воздухе, необходимость последующего отвердения при повышенной температуре, сложность механизации процесса.

Сущность метода герметизации МС методом свободной заливки состоит в заполнении жидким герметизирующим компаундом специальных форм или заранее изготовленных из пластмассы или металла корпусов, в которых размещают МС с выводами. Свободная заливка компаунда без давления уменьшает вероятность обрыва проволочных перемычек МС. Применяют два метода свободной заливки: во вспомогательные разъемные формы и в предварительно изготовленные корпуса.

Герметизацию микросхем заливкой во вспомогательные разъемные формы, при которой многоместные разъемные формы, изготовленные из материалов с плохой адгезией по отношению к пластмассе, заполняют жидким компаундом, относят к бескорпусной, так как такая герметизация не требует специально изготовленных деталей корпусов. Однако она обеспечивает производство МС со строго фиксированными габаритными размерами, размерами выводов, шага между выводами и т. д. Поэтому в литературе принято называть такой метод заливки МС герметизацией в пластмассовые корпуса, которые иногда называют полимерными или металлополимерными.

Герметизация МС заливкой в предварительно изготовленные корпуса отличается простотой, так как в этом случае не требуется изготовление дорогостоящих заливочных форм. Корпуса представляют собой пластмассовую оболочку, изготовленную горячим прессованием, или металлическую капсулу, изготовленную штамповкой. При герметизации заливкой в предварительно изготовленные корпуса полупроводниковые структуры сначала закрепляют на перфорированную ленту, состоящую из объединенных между собой фрагментов плоских выводов. Контакт между плоскими выводами перфорированной ленты и контактными площадками полупроводниковой структуры создают проволочными перемычками.

Герметизация МС методом прессования пластмасс основана на особенности некоторых полимерных материалов плавиться и течь под действием температуры и давления, заполняя полость металлической формы с изделиями. В качестве герметизирующих материалов применяют термореактивные полиры, прессующиеся при низких давлениях, что позволяет герметизировать МС с гибким проволочным монтажом.

При шовноклеевой герметизации используют пластмассовые корпуса с армированными выводами. Клеющий состав наносят по периметру основания корпуса.

Полимерные материалы не обеспечивают полной защиты МС от влаги. Это связано с тем, что влагопроницаемость пластмасс во много раз выше, чем у металлов; температурные коэффициенты линейного расширения пластмасс и металлических выводов МС отличаются примерно на порядок, поэтому трудно создать герметичное соединение между пластмассой и металлом.

Надежным методом герметизации полупроводниковых приборов, МС и гибридно-пленочных микросборок является вакуум-плотная корпусная герметизация. В зависимости от используемых материалов вакуум-плотные корпуса подразделяют на стеклянные, металлостеклянные, металлокерамические, керамические, пластмассовые и металлопластмассовые. Для повышения коррозионной стойкости, образования технологических пленок для последующей герметизации, получения высокой чистоты поверхностей и улучшения внешнего вида корпусов применяют различные покрытия, которые наносят гальваническим или химическим способом. Герметизируют корпуса клеем, пайкой, сваркой.

Контроль герметичности. Качество герметизации корпусов оценивают наличием дефектов визуально и наличием течей.

Для контроля малых течей чаще всего применяют масс-спектрометрический метод и метод с использованием электроотрицательного газа. Масс-спектрометрический метод контроля герметичности МС широко распространен, так как обладает высокой чувствительностью и надежностью. Он основан на разделении молекул сложной парогазовой смеси по массам и измерении ионного тока ионизированных молекул какой-либо определенной массы. В качестве контрольного газа обычно используют гелий, так как он обладает высокой проникающей способностью; малым содержанием в атмосфере, что дает незначительный фоновый уровень при измерениях; при попадании в прибор не оказывает влияния на структуру и работоспособность устройства.

Для контроля герметичности по большим течам чаще всего используют вакуумно-жидкостной или пузырьковый методы. Вакумно-жидкостной метод основан на визуальном наблюдении выходящих через течи пузырьков воздуха. В этом случае МС помещают в специальную жидкость (уайт-спирит), над которой создают вакуум. Вследствие перепада давления воздух из негерметичного корпуса МС будет выходить через течи в виде непрерывной цепочки пузырей. При контроле герметичности пузырьковым методом контролируемые МС помещают в жидкость (этиленгликоль), нагретую до температуры порядка 120... 140 °С. Течь определяют также по наличию непрерывной цепочки пузырей.