ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

180

ностей перед склеиванием тщательно удаляют загрязнения и жировые пленки. Следы используемых органических растворителей должны быть полностью удалены сушкой.

Прочность клеевого слоя в объеме зависит от совершенства структуры полимера. Количество дефектов с увеличением толщины слоя повышается, а прочность соединения падает. Рекомендуется слой ограничивать толщиной 0,05–0,1 мм.

Точную дозировку по толщине и площади клеевого слоя обеспечивает применение пленочных клеев. Пленочные клеи представляют собой неполимеризованный подсушенный клей, который можно разрезать на заготовки нужных размеров и форм. Такие пленки выпускаются в виде непрерывных лент на основе различных клеев. Широкое применение для крепления подложек гибридных микросхем к основанию корпуса нашли, в частности, пленки на основе метилполиамиднофенольного клея МПФ-1. Непосредственно перед монтажом для активации поверхности заготовки пленочного клея ее погружают на 1–2 с в этиловый спирт. Установленные пленку и подложку помещают в прижимное приспособление с резиновой прокладкой, где выдерживают 1–2 мин. После сушки на воздухе не менее 30 мин изделие подвергают термообработке в термостате (подъем температуры до 150 °C в течение 1 ч, выдержка 2 ч, охлаждение вместе с термостатом до

30–40 °С).

Пайка стеклами позволяет достичь хорошего согласования соединяемых материалов по ТКР, так как, варьируя состав стекла, можно изменять его ТКЛР в широких пределах. К легкоплавким стеклам относят обычно стекла, температура размягчения которых не превышает 550 °С. Такие стекла имеют более высокий ТКЛР (С84-1, С88-1, С89-3, С90-1), для которых значения соответственно равны (8,4; 8,8; 8,9 и 9,0) 10–6 K–1. Для часто используемых сочетаний материалов «ковар-ситалл (поликор, кремний)» требуются стекла с ТКЛР порядка (5 7) 10–6 K–1, т.е. тугоплавкие (например, С-50).

Использование относительно тугоплавких стекол практически исключает возможность припайки кристаллов стеклом на подложках гибридных пленочных микросхем и микросборок. Пайку стеклом в основном применяют для крепления керамиче-

181

ских, поликоровых и ситалловых подложек. Наилучшая адгезия стекла и, следовательно, прочность соединения обеспечиваются с материалами, представляющими собой смеси окислов (ситалл, поликор, керамика 22ХС), или с металлами, имеющими на поверхности прочный слой окисла.

Технология пайки стеклом сводится к нанесению суспензии (пасты) стеклянного порошка в деионизованной воде на очищенную поверхность, сжатию соединенных деталей в приспособле- нии-кассете, сушке и последующему оплавлению в печи в контролируемой атмосфере.

Пайка металлическими сплавами обеспечивает высокую электропроводность соединения, механическую прочность, хорошее согласование по ТКЛР. Благодаря высокой теплопроводности и малой теплоемкости металлических сплавов, необходимое время для плавления и получения соединения достаточно мало, что делает целесообразным выполнение этих операций на специальных установках последовательного присоединения кристаллов с высоким уровнем механизации и автоматизации.

В качестве присоединительного слоя могут быть использованы мягкие припои, такие как Аu-Sn (80 % массы Аu и 20 % мас-

сы Sn; Тпл = 280°С), Рb-Sn-Аg (92 % массы Рb, 5,5 % массы Sn и 2,5 % массы Аg; Тпл = 300 °С) и др. Припой вводят в место соединения в виде фольговых дисков или наносят в виде пасты трафаретным способом. Необходимым условием качественного соединения является высокая смачиваемость соединяемых поверхностей припоем. Для этого кристаллы на установочной плоскости должны иметь слой металлизации (золото, серебро или никель с подслоем хрома), который наносят на этапе групповой обработки на обратную (нерабочую) сторону групповой пластины. Соответственно площадка для установки кристалла на подложку (или на основание корпуса) должна иметь никелевое или золотое покрытие.

Пайка мягкими припоями допускает при необходимости демонтаж припаянного кристалла. В то же время относительно низкая температура плавления припоя ограничивает технологическую температуру на последующих операциях присоединения выводов и герметизации микросхемы.

182

Более высокую температуру плавления (370 °С) имеет эвтектический сплав Аu-Si (94 % массы Аu и 6 % массы Si), который также в виде фольгового диска помещают между кристаллом и основанием. Для улучшения смачивания кристалла припоем целесообразны золочение поверхности кристалла, а также ультразвуковые колебания инструмента, прижимающего кристалл. Рабочую температуру устанавливают в пределах 390–420 °C, т.е. выше тем-

пературы эвтектики. Время пайки 3–5 с, давление инструмента

1–3 Н/мм2.

При пайке любыми эвтектическими сплавами температура плавления сплава невысока (наименьшая для материалов монтируемой системы). Кристаллизация происходит одновременно по всему объему, т.е. скачкообразный переход из жидкой фазы в твердую обеспечивает мелкозернистость структуры слоя и, следовательно, повышенную прочность.

Разновидностью пайки эвтектическим сплавом Аu-Si является соединение кремниевого кристалла с золоченой поверхностью основания (подложки или корпуса) за счет контактного плавления без введения припоя (контактно-реактивная пайка). При использовании этого метода нижняя поверхность кристалла освобождается от пассивной пленки, что достигается стравливанием двуокиси кремния с групповой пластины до разделения на кристаллы. Монтажные площадки на ситалловой или поликоровой подложке покрываются вакуумным осаждением золота. Площадки на основаниях металлических корпусов формируются локальным гальваническим золочением. Золочение монтажных площадок керамических подложек или оснований корпусов исполняется вжиганием золотой пасты ПЗП-3 (температура около

950 °С).

При сжатии кремниевого кристалла с позолоченной поверхностью с усилием ~0,8 Н в условиях нагрева до 390–420 °С происходит взаимная диффузия (растворение в твердой фазе) золота и кремния. Вследствие плавного изменения концентрации компонентов по нормали к соединяемым поверхностям возникает слой, состав которого близок к эвтектическому. При температуре нагрева этот слой переходит в жидкую фазу. С момента возникновения жидкой фазы процессы диффузии и растворения ускоряются, а расплавленный слой быстро расширяется.

183

Поскольку все виды пайки металлическими припоями, включая пайку контактным плавлением, можно выполнять на механизированных установках, то применение флюсов, снижая эффективность использования таких установок, нецелесообразно. Поэтому пайку производят в защитной или защитно-восстано- вительной среде путем подачи соответствующего газа через миниатюрное сопло в зону пайки. Этот же газ используют для охлаждения полученного соединения.

На площадку для пайки кристалл (а также припойный диск) устанавливают вакуумным пинцетом из кассет с ориентированными кристаллами.

6.9 Электрический монтаж кристаллов и плат

Электромонтаж бескорпусных кристаллов и плат ИМС заключается в электрическом соединении их контактных монтажных площадок с контактными монтажными площадками на поверхности коммутационных плат более высокого конструктивного уровня или с выводами корпуса. Как отмечалось, кристалл предварительно фиксируется на плате или основании корпуса с помощью клея или припоя. Групповая пластина до разделения ее на отдельные части может быть металлизирована со стороны противоположной структурам металлом, который хорошо смачивается припоем. Облуживанию подлежат и контактные площадки на плате, на которые устанавливаются кристаллы.

При электромонтаже используются гибкие проволочные,

жесткие (шариковые или столбиковые) выводы, балочные и паучковые выводы.

К конструкциям соединений предъявляются требования:

–по величине и стабильности электрического сопротивления вывода и контактов;

–по механической прочности, виброустойчивости, антикоррозионной стойкости, совместимости материалов, конструкции вывода;

–по их физическим (термический коэффициент линейного расширения, значениям коэффициентов взаимной диффузии материалов друг в друге и др.) и химическим (отсутствие интерме-

184

таллических соединений, хорошая адгезионная способность) свойствам;

– по возможности применения групповых методов изготовления выводов и автоматизированной сборки микросхемы в корпус или на коммутационную плату.

Гибкие выводы изготавливают из золотой или алюминиевой проволоки диаметром 25...50 мкм или в виде лент толщиной 50–60 мкм и шириной более 50 мкм. На иллюстрации 6.29 приведена фотография исполнения электромонтажа кристалла прово-

лочными проводниками. При проволочном электромонтаже пе-

ремычка формируется в процессе монтажа. После совмещения свободного конца проволоки с площадкой на кристалле (плате) производится сварка. После перемещения изделия и совмещения инструмента с другой площадкой производится сварка и обрезка проводника. Далее формируется перемычка следующей пары контактов.

При перемещении платы с приваренным концом проволоки последняя сматывается с катушки непод-

вижной сварочной головки так, чтобы образовался небольшой избыток по длине. В результате упругости проволоки перемычка получает плавный изгиб вверх, который при температурных изменениях длины перемычки предотвращает замыкание ее на кристалл.

В современных установках для микросварки рабочий цикл сварки (контролируемые давление инструмента, нагрев, время выдержки) автоматизирован. Что касается вспомогательных приемов (перемещения, совмещения), то существуют установки с ручным перемещением изделия и визуальным совмещением с помощью микроскопа, а также установки с автоматическими программируемыми перемещениями в сочетании с системой «машинного зрения», освобождающей оператора от зрительного напряжения.

185

При проволочном и ленточном монтаже применяется специальный микросварочный инструмент. Ввиду малых толщин соединяемых элементов (порядка 1,5 мкм для площадки и несколько десятков мкм для перемычки) сварка должна выполняться без расплавления соединяемых элементов. Все разновидности микросварки представляют собой сварку давлением. Прочность соединения обеспечивается электронным взаимодействием соединяемых поверхностей и взаимодиффузией материалов в твердой фазе, что, в свою очередь, требует применения пластичных материалов и обеспечения плотного контакта на достаточно большой площади. Так как необходимую площадь контакта можно получить лишь за счет пластической деформации перемычки, к материалу последней предъявляются требования пластичности. Для облегчения пластического течения материала, а также для ускорения взаимной диффузии во всех видах микросварки предусматривается нагрев зоны соединения до температуры ниже эвтектической (во избежание расплавления). Все виды микросварки характеризуются температурой в зоне соединения (300 800) °C и удельным давлением инструмента (100 200) Н/мм2.

В производстве нашли применение следующие разновидности микросварки (см. рис. 6.30):

–термокомпрессионная сварка (ТКС);

–сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН);

–электроконтактная односторонняя сварка (ЭКОС);

–ультразвуковая сварка (УЗС).

Основная тенденция развития методов микросварки — локализация тепла в зоне соединения и уменьшение теплового воздействия на изделие в целом, что позволяет повысить температуру сварки и применять для перемычек менее пластичные материалы (например, медь). Способ нагрева зоны соединения находит свое отражение в конструкции сварочного инструмента, схематически представленного на рисунке 6.30. Независимо от вида микросварки в случае проволочного монтажа инструмент должен быть снабжен «капилляром» для направления проволоки под рабочую часть инструмента (на рис. 6.30 показан только для метода ТКС).

186

Рисунок 6.30

В случае СКИН (см. рис. 6.30, б) разогрев зоны соединения осуществляется только в момент сварки. Это достигается V-об- разной конструкцией инструмента, через который пропускается амплитудно-модулированный импульс тока с несущей частотой 0,5 1,5 кГц. В результате температуру в зоне сварки можно повысить до 650 °C. Инструмент является частью электрической цепи и благодаря малому сечению рабочего конца инструмента выделяемое тепло концентрируется именно в этой части. При ТКС (см. рис. 6.30, а) нагреву подвергают все изделие или инструмент (или то и другое), обеспечивая температуру порядка

400 °C.

Инструмент для ЭКОС (см. рис. 6.30, в) состоит из двух частей, разделенных изолирующей термостойкой прокладкой, которые являются составной частью электрической цепи. Цепь замыкается при контакте электродов с перемычкой. Импульс тока проходит через свариваемый участок перемычки, причем тепло выделяется в зоне контакта. В установках для ЭКОС предусмотрено автоматическое измерение контактного сопротивления, регулирование по сопротивлению усилия и формирование параметров импульса тока, что повышает воспроизводимость характеристик соединения. Температура в зоне сварки может быть повы-

187

шена до 800°C, что дает возможность применять и медные проводники.

Ультразвуковая сварка может выполняться без специально организованного нагрева, т.к. тепло, необходимое для повышения пластичности, выделяется в результате трения перемычки о площадку. Сварочный инструмент жестко закрепляется в концентраторе магнитострикционной головки (см. рис. 6.30, г) и вместе с ним совершает продольные колебательные движения, «втирая» перемычку в площадку. Частота ультразвуковых колебаний выбирается в пределах (20 60) кГц, а амплитуда — (0,5 2) мкм. В таблице 6.7 приведены сведения по свариваемости материалов при различных методах микросварки.

Таблица 6.7

Примечание: ++ — свариваются хорошо; + — свариваются удовлетворительно; – — не свариваются.

Этот вид электромонтажа применяется для конструкций кристаллов и плат с жёсткими выводами.

Достоинством проволочного монтажа является возможность размещения перемычек при произвольном расположении любого количества монтажных площадок на коммутационной плате, т.е. гибкость в процессе ее конструирования. Недостаток заключается в высокой трудоемкости монтажа, т.к. сварные соединения можно получать только последовательно, индивидуально.

Отказ от проволоки и переход к плоским ленточным перемычкам позволяет изготовить их заранее и одновременно вне кристалла методом избирательного травления (фотолитографии) ленты, однако взаимное расположение перемычек должно быть жестко предопределено расположением монтажных площадок на кристалле и плате. Ленточные перемычки толщиной 70 мкм ос-

188

таются гибкими, поэтому для сохранения их взаимной ориентации они удерживаются в заданном положении изолирующими перемычками из полиимида. Таким образом, исходная лента для изготовления системы перемычек должна быть двухслойной: алюминий (70 мкм) и полиимид (40 мкм). Для исключения замыкания перемычек на кристалл их специально формуют перед монтажом. Преимущественно ленточный электромонтаж применяется в так называемых паучковых конструкциях, комментируемых далее по тексту.

Жесткие выводы (шариковые, столбиковые, балочные) имеют многослойную конструкцию (рис. 6.31). Нижний слой обеспечивает качественный контакт с контактной площадкой или полупроводниковой областью и качество адгезии к изоляционному материалу на поверхности кристалла. Верхний слой призван обеспечить высокую проводимость, качественный контакт к контактным площадкам платы и антикоррозийную защиту. Промежуточные слои выполняют роль буфера, устраняющего нежелательные взаимодействия между материалами слоев, ведущие к образованию интерметаллических соединений.

а— шариковый вывод; б — столбиковый вывод; в — балочный вывод.

1— кремний; 2 — пленка окисла SiQ2; 3 — проводник (Al); 4 — защитный слой боросиликатного стекла или пленка осажденного из газовой фазы

SiO2; 5 — контактный и адгезионный слои хрома (а), молибдена (б) титана или тантала (в); 6 — буферные слои меди (а), меди и серебра (б), молибдена (в); 7 — слой золота; 8 — слой припоя (а); 9 — медный шарик (а); золотой или медный стрлбик (б); 10 — слой никеля; 11 — слой золота

Рисунок 6.31

189

Для изготовления шариковых выводов после создания алюминиевых контактных площадок кремниевую пластину покрывают слоем боросиликатного стекла толщиной 1,5 мкм (рис. 6.31, а). В слое стекла с помощью фотолитографии над контактными площадками формируются окна, в которых поверх алюминия формируется многослойная система: хром — медь — золото — припой (оловянно-свинцовый). Пластины помещаются в гнезда кассеты, и на подготовленные контактные площадки помещаются медные шарики, покрытые двойным слоем никеля и золота. Кассета с пластиной нагревается в атмосфере водорода и происходит пайка шарика на контактные площадки. Наиболее «узким» местом в этом процессе является изготовление микрошариков и сборка кассеты.

Столбиковые выводы (см. рис. 6.31, б) изготавливаются из золота или меди, которые покрываются слоем серебра и оловян- но-свинцовым припоем. Шариковые и столбиковые выводы формируются на кристаллах заранее и одновременно до разделения групповой пластины. В первом приближении они представляют собой выступы полусферической или цилиндрической формы высотой порядка 30–60 мкм. Облуженными должны быть и ответные монтажные площадки на коммутационной плате.

В отличие от проволочного и ленточного монтажа объемные выводы соединяют с площадками платы пайкой, а кристалл при этом оказывается в перевернутом положении, т.е. структурами вниз. Электромонтаж в этих конструкциях совмещается с монтажом. Кристалл, находящийся в кассете в ориентированном положении, забирается вакуумным присосом («пинцетом») и переносится в позицию монтажа с определенным зазором. В зазор вводится полупрозрачное зеркало, позволяющее оператору через микроскоп наблюдать одновременно площадки на плате и выводы на кристалле. После совмещения зеркало выводится из зазора, а присос опускает кристалл на плату и прижимает его. Из миниатюрного сопла подается горячий инертный газ, выполняющий одновременно функции нагревательной и защитной среды, затем холодный инертный газ, чем и заканчивается цикл монтажа.

К достоинствам монтажа с помощью жестких объемных выводов относится: