Спеціальні методи зварювання в мікро-електроніці
Спеціальні методи зварювання в мікроелектроніці.
Сварка в мікроелектроніці.
Основні способи зварювання електронних схем.
Метод з'єднання мікросхем повинен відповідати таким вимогам:
Міцність з'єднання повинна бути близька до міцності з'єднувальних елементів мікросхем;
З'єднання має бути з мінімальним провідникові;
Основні параметри процесу (температура нагріву, питомий тиск, тривалість витримки) повинні бути мінімальними, щоб не пошкодити елементи схеми;
Забезпечувати з'єднання матеріалів різноманітних поєднань і типорозмірів;
Після з'єднання не повинно залишатися матеріалів, що викликають корозію;
Якість з'єднань має контролюватися простими і надійними методами.
З загальновідомих способів зварювання при виробництві мікроелектронних схем використовують:
Контактне точкове (конденсаторну);
Сварка тиском з непрямим імпульсним нагріванням (СКІН).
Термокомпрессіі - спосіб з'єднання металів з металами і неметалами тиском з підігрівом при відносно невисоких питомих тисках.
Один з матеріалів, що з'єднуються (зазвичай висновок) при термокомпрессіі повинен володіти достатньо високою пластичністю. Температура при термокомпрессіі зазвичай рівна температурі відпустки або відпалу більш пластичного матеріалу.
Термокомпрессіі можна з'єднувати м'які (пластичні) високоелектропроводние матеріали у вигляді круглих і плоских провідників з напівпровідниковими матеріалами і електропровідними тонкими плівками, напиленням на діелектричні підкладки.
Термокомпрессіі - один з найбільш поширених методів монтажу напівпровідників і інтегральних схем в різноманітних корпусах гнучкими дротяними провідниками.
можна пояснити наступним чином:
Ідеальних поверхонь не існує;
На реальних поверхнях є безліч мікровиступів і мікровпадін.
Якщо прикласти тиск до висновку, виготовленому з пластичного матеріалу, і нагрівати, наприклад, напівпровідниковий кристал, відбудеться пластична деформація мікровиступів електродного виведення, а також часткова деформація мікровиступів напівпровідника, взаємне затікання з'єднуються в мікровпадіни, тобто термокомпрессіонной зварювання.
При термокомпрессіонной зварюванні утворюється міцна адгезія між напівпровідниковим кристалом і електродним висновком і створюється надійний електричний контакт.
Слід зазначити, що чим більше пластичний матеріал електронних висновків, тим більшим коефіцієнтом адгезії він володіє. Золото і алюміній в порівнянні з іншими матеріалами, використовуваними для електродних висновків (мідь, срібло), мають найбільші коефіцієнти адгезії, рівні відповідно 1,84 і 1,80.
У виробництві напівпровідникових приладів термокомпрессіі з'єднують найбільш часто такі пари матеріалів:
Переваги термокомпрессіонной зварювання - можливість без застосування флюсу і припою з'єднувати метали в твердому стані при порівняно низькій температурі і малої їх деформації (10¸30%) на повітрі, висока технологічність способу.
Недоліки - обмеження пар зварюються, високі вимоги до якості поверхні металів, що сполучаються і порівняно низька продуктивність праці (зварювання під мікроскопом).
У різних установках термокомпрессіі можуть нагріватися:
III - інструмент і столик одночасно.
1 - інструмент; 2 - електродний дріт; 3 - підкладка (корпус);
4 - кристал; 5 - столик; 6 - нагрівач.
Мал. 2. Схеми нагріву в термокомпрессіонной установках.
Устаткування для термокомпрессіонной зварювання
Установки ЕМ-439, ЕМ-422, ЕМ-439А призначені для приєднання встик і внахлест дротяних електродних висновків до контактних площадок напівпровідникових мікросхем.
Технологічний процес приєднання висновків на цій установці складається з наступних операцій:
пошуку контактної площадки;
суміщення її з одним кінцем електродного виведення, на якому утворено кулька, і зварювальним інструментом;
автоматичної приварювання кінця виведення з кулькою встик до контактної майданчику;
пошуку виведення корпусу та суміщення другого кінця електродного виведення;
приварювання електродного виведення висновку корпусу внахлест;
обриву електродного виведення.
Варіанти нагріву деталей контактним способом
Завдяки підводу теплоти деталі знаходяться в нагрітому стані, що забезпечує отримання якісного з'єднання при меншій деформації елемента, ніж при холодному зварюванні.
Нагрівання деталей здійснюється контактним способом по одному з трьох можливих варіантів:
нагрів столика до 450 ° С (рис. 3.а);
нагрів інструменту до 300 ° С (рис. 3.б);
одночасний нагрів столика і інструменту (рис. 3.в).
на кристалі з золота, алюмінію d £ 1 мкм, нанесена на поверхню кристала.
Мал. 3. Схеми варіантів нагріву деталей.
Час, необхідний для утворення з'єднання, становить 0,7¸1,0 с. Для виготовлення інструменту використовують капіляри зі скла. а також стрижні карбідів вольфраму і швидкорізальної сталі.
Техніка виконання з'єднань при термокомпрессіонной зварюванні.
Якість з'єднань залежить:
Від стану поверхні (підготовки) зварювальних кромок (знежирення розчинниками з малою токсичністю, негорючістю, низькою вартістю. Зазвичай в якості розчинників використовують трихлоретилен, толуол, ксилол та ін. Очищення підкладок і деталей корпусів напівпровідникових приладів і мікросхем виробляють в киплячому розчині ізопропілового спирту (2 рази по 5 хвилин), в деионизированной воді з накладенням ультразвукових коливань (2 рази по 5 хвилин), в етиловому спирті (3 хвилини). Сушать їх в азоті при 120¸150 ° с протягом 30 хвилин);
Від стану свариваемого інструменту;
Від ретельного суміщення свариваемого інструменту;
Від параметрів режиму зварювання.
Ретельність суміщення елементів, що зварюються особливо важлива при виконанні елементів мікросхем, тобто при приварке провідників до контактних площадок мікросхем.
Послідовність переходів при виконанні мікроз'єднань термокомпрессіонной зварюванням з використанням інструменту з центральним капилляром наступна (рис. 4.):
Мал. 4. Схема виконання мікроз'єднань
Позиція I - представляє вихідне положення інструменту і контактної площадки мікросхеми, що сполучається провідник на кінці має оплавлений кульку.
Позиція II - поєднання контактної площадки мікросхеми з провідником.
Позиція III - суміщені елементи зварюються з додатком тиску P і нагріванням контактної площадки до температури Т.
Позиція IV - за допомогою зварювального головки формується петля-стібок. Форма петлі визначається конструкцією приладу.
На позиції V відбувається поєднання провідника з контактною площадкою корпусу приладу.
На позиції VI відбувається приварювання дроту другого кінця стібка і її обрив.
На позиції VII закінчується цикл освіти з'єднання контактних майданчиків з провідником, оплавленим кінці дроту в кульку.
Така послідовність переходів при виконанні з'єднань (за винятком оплавлення провідника) характерна і для ультразвукового зварювання (УЗС).
Погрішності, що допускаються при виконанні зазначених переходів, можуть привести до утворення таких дефектів:
Помилки в пошуку контактних майданчиків на позиціях I, V можуть привести до неправильної схемою їх комутації.
Неправильне виконання суміщення провідника з контактною площадкою (поз. II і VI) може привести до того, що центр кулькового контакту буде зміщений до краю майданчика більш ніж на 1/2 діаметра дроту, і менше 3/4 зварного з'єднання буде перебувати в межах контактної площадки .
Маніпулювання з провідниками на поз. IV і V може викликати обрив провідників і руйнування раніше виконаних зварних з'єднань на поз. III.
При обриві дроту на поз. VI можливе утворення "хвостів" довжиною понад 3 діаметрів дроту, що теж є неприпустимим дефектом.
Сварка тиском з непрямим імпульсним нагріванням інструменту (СКІН)
є різновидом термокомпрессіонной зварювання. Вона знаходить широке застосування в інтегральних схемах, які не допускають загального розігріву.
Призначена для зварювання золотих (Au), алюмінієвих (Al) і мідних (Cu) провідників діаметром Æ 20¸100 мкм з різноманітними плівками, напиленням на напівпровідникові підкладки
Мал. 5. Схема зварювання СКІН
Інструмент виготовлений з жароміцного матеріалу, який служить провідником електричного струму.
При імпульсному протіканні електричного струму відбувається короткочасний нагрів інструменту, в результаті чого можна зварювати електричні висновки з менш пластичних металів: міді, срібного сплаву.