Всё для надежной сварки
Печатная версия материала с сайта svarkainfo.ru - портала о сварке. При использовании материалов с сайта, пожалуйста, всегда указывайте источник или гиперссылку.
показать меню

Главная / Технологии / Другие виды сварки / Сварка в микроэлектронике

Другие виды сварки

Сварка в микроэлектронике

Основные способы сварки электронных схем

Метод соединения микросхем должен удовлетворять следующим требованиям: прочность соединения должна быть близка к прочности соединяемых элементов микросхем; соединение должно иметь минимальное омическое сопротивление; основные параметры процесса соединения (температура нагрева, удельное давление и длительность выдержки) должны быть минимально возможными, с тем чтобы не повреждались элементы схемы; выполнять соединение материалов разнообразных сочетаний и типоразмеров; после соединения не должно оставаться материалов, вызывающих коррозию; качество соединений должно контролироваться простыми и надежными методами. Из общеизвестных способов сварки при производстве микроэлектронных схем применяют контактную точечную, ультразвуковую, холодную, диффузионную, электронно-лучевую, лазерную, аргонодуговую и микроплазменную.

Специально для целей монтажа микросхем разработано несколько оригинальных способов микросварки давлением: термокомпрессия, сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН), ультразвуковая сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН), односторонняя контактная сварка (точечная и шовная).

Метод соединения микросхем должен удовлетворять следующим требованиям: прочность соединения должна быть близка к прочности соединяемых элементов микросхем; соединение должно иметь минимальное омическое сопротивление; основные параметры процесса соединения (температура нагрева, удельное давление и длительность выдержки) должны быть минимально возможными, с тем чтобы не повреждались элементы схемы; выполнять соединение материалов разнообразных сочетаний и типоразмеров; после соединения не должно оставаться материалов, вызывающих коррозию; качество соединений должно контролироваться простыми и надежными методами. Из общеизвестных способов сварки при производстве микроэлектронных схем применяют контактную точечную, ультразвуковую, холодную, диффузионную, электронно-лучевую, лазерную, аргонодуговую и микроплазменную.

Специально для целей монтажа микросхем разработано несколько оригинальных способов микросварки давлением: термокомпрессия, сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН), ультразвуковая сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН), одно- сторонняя контактная сварка (точечная и шовная).

Термокомпрессия — способ соединения металлов с металлами и неметаллами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давлениях.

По терминологии, принятой в сварке, более правильно термокомпрессию называть микросваркой давлением с подогревом соединяемых деталей.

Один из соединяемых материалов (обычно вывод) при термокомпрессии должен обладать достаточно высокой пластичностью. Температура при термокомпрессии не превышает температуры образования эвтектики соединяемых материалов и обычно равна температуре отпуска или отжига более пластичного металла.

Рис. 122. Основные типы термокомпрессионных соединений:
a — соединение в виде плоской сварной точки (термокомпрессия клином); 1 — инструмент; 2 — проволока; 3 — подложка; б — соединение встык с образованием шарика; в — соединение с ребром жесткости (термокомпрессия инструментом с канавкой); г — соединение типа «рыбий глаз» (термокомпрессия инструментом с выступом)

Термокомпрессией можно соединять мягкие высокоэлектропроводные материалы в виде круглых и плоских проводников с полупроводниковыми материалами и электропроводными тонкими пленками, напыленными на хрупкие диэлектрические подложки. Основные типы термокомпрессионных соединений показаны на рис. 122.

Термокомпрессия является наиболее распространенным способом монтажа полупроводниковых микроприборов и интегральных схем в разнообразных корпусах гибкими проволочными проводниками.

Основными параметрами режима термокомпрессии с использованием статического нагрева являются усилие сжатия (давление р), температура нагрева соединения или инструмента Т, длительность выдержки под давлением t.

Выбор давления определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника и допустимым механическим воздействием на полупроводниковый прибор.

Усилие сжатия выбирают в зависимости от пластичности проводника, сочетания свариваемых материалов, диаметра проволоки и торца инструмента.

Давления при сварке алюминиевого проводника составляют 4—8 кгс/мм2 и при сварке золотого проводника 10—14 кгс/мм2.

Длительность выдержки устанавливается в зависимости от сочетания свариваемых материалов и определяется экспериментально путем оценки прочности соединений и может колебаться от 0,1 с до нескольких секунд.

Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН). Схема СКИН V-образным инструментом (пуансоном), нагреваемым импульсно проходящим по нему током, показана на рис. 123. Способ можно с успехом применять при монтаже гибридных интегральных схем. Он находит широкое применение в интегральных микросхемах, которые не допускают общего разогрева. Этим способом можно сваривать золотые, алюминиевые и медные проводники диаметром 20—100 мкм с разнообразными пленками, напыленными на диэлектрические или полупроводниковые подложки. При правильно подобранном режиме можно обеспечить высокое качество соединений и достаточно хорошую стабильность.

Рис. 123. Схема сварки давлением с косвенным импульсным нагревом V-образным инструментом:
1 — рабочий столик; 2 — подложка или полупроводниковый кристалл; 3 — проводник; 4 — V-образный инструмент (пуансон); 5 — сварочная головка для создания давления; 6 — источник питания; 7 — реле времени

Односторонняя контактная сварка (рис. 124) — распространенный способ соединения различных электронных компонентов.

Рис. 124. Схемы односторонней контактной сварки:
a - односторонняя точечная сварка: 1 — электрод для сжатия спариваемых деталей и подвода тока к проволоке; 2 — электрод для подвода тока к шине печатной платы; 3 — контактная площадка или шина печатной платы; 4 — диэлектрическое основание печатной платы; 5 - привариваемая проволока или лента;
б и в — односторонняя сварка соответственно сдвоенным электродом (с параллельными зазорами) и строенным электродом трех-фазным током (1 — электроды; 2 — приеариваемый проводник; 3 - тонкая металлическая пленка; 4 — диэлектрическая подложка); г — односторонняя шовная сварка — папка коническими роликами: 1 — конические ролики; 2 — сварочный трансформатор; 3 — крышка корпуса; 4 — металлическая рамка; 5 — керамическое основание корпуса микросхемы

При односторонней точечной контактной сварке (рис. 124, а) один электрод прижимает проволоку или ленту к контактной площадке, а второй электрод служит для подвода сварочного тока к контактной площадке. Этот способ применяют для сварки весьма тонких проводников (круглых и плоских) с относительно толстым материалом и для сварки проводников с электроосажденными пленками толщиной около 20 мкм.

Для присоединения круглых и плоских выводов навесных элементов к тонким пленкам на хрупких подложках и к печатному монтажу применяют контактную сварку сдвоенным электродом (рис. 124, б) и сварку строенным электродом трехфазным током (рис. 124, в).

При односторонней сварке сдвоенным или строенным электродом электроды устанавливают на верхнюю привариваемую деталь (проволоку, ленту) и прижимают к нижней детали. Таким способом можно с успехом приваривать проводники диаметром от 20 до 150—250 мкм из Аи, Сu, Ag и других металлов к тонким пленкам на керамических подложках.

Одностороннюю шовную сварку коническими роликами применяют для герметизации металлостеклянных и металлокерамических корпусов микросхем металлическими крышками.

Ультразвуковая микросварка и комбинированные способы сварки успешно используются при изготовлении гибридных схем, транзисторов и интегральных схем. В микроэлектронике используются следующие способы ультразвуковой и комбинированной микросварки: сварка продольными и продольно-поперечными колебаниями (рис. 125, а); сварка крутильными колебаниями (рис. 125, б); сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН) (рис. 125, в); термокомпрессия с ультразвуком.

Основными параметрами процесса при ультразвуковой микросварке являются амплитуда колебаний, рабочего торца, инструмента, которая зависит от электрической мощности преобразователя и конструктивного исполнения колебательной системы; усилие сжатия свариваемых элементов; длительность включения ультразвуковых колебаний. При комбинированном методе сварки (УЗСКН) регулируемыми параметрами также являются температура нагрева инструмента или изделия, время относительного смещения импульса ультразвука и нагрева. Процесс ультразвуковой микросварки продольными и продольно-поперечными колебаниями характеризуется малыми амплитудами колебаний (1 —10 мкм) и относительно большими удельными давлениями (0,5—1 σc свариваемого материала).

Ультразвуковую микросварку применяют для выполнения монтажа гибкими проводниками, присоединения кристалла к корпусу, беспроволочного монтажа интегральных схем методом «перевернутого кристалла», присоединения плоских выводов к кремниевым кристаллам диодов.

Холодная сварка осуществляется за счет пластической деформации свариваемых деталей под действием давления без дополнительного подогрева. Для получения высококачественного сварного соединения при холодной сварке необходимо обеспечить точную сборку и чистоту свариваемых поверхностей и необходимую степень деформации, зависящую от соединяемых металлов (от 35% для сочетания золото + золото до 80% для сочетаний медь + медь, медь + ковар и ковар + ковар.) В микроэлектронике этот способ применяется для герметизации металлостеклянных корпусов приборов.

Микросварка давлением с образованием эвтектики заключается в нагреве деталей до температуры образования эвтектики соединяемых материалов при одновременном сжатии и подаче колебаний (при необходимости). Способ наиболее приемлем для непосредственного присоединения плоских золоченых выводов к полупроводниковым кремниевым кристаллам, если требуется сравнительно большая площадь контакта (0,2—2 мм2), при соединении кристаллов интегральных схем с золоченой поверхностью корпуса, при соединении медных лепестковых выводов, покрытых оловом, с золочеными выступами на кристалле ИС.

Микроплазменная сварка является разновидностью сварки плавлением. Отличительная особенность процесса — создание ионизированного потока инертного газа [смесь аргона с гелием (до 70%), с водородом (до 10—15%) или азотом]. Расплавление металла происходит сжатой дугой прямого действия и потоком плотной ионизированной плазмы. Этот способ сварки применяется для герметизации копусов приборов из ковара или никеля толщиной 0,1—0,3 мм. При этом сила тока составляет 5—10 А, скорость сварки 15—150 м/ч.

Рис. 125. Схемы устройств для ультразвуковой сварки:
а — для ультразвуковой сварки продольными (продольно-поперечными) колебаниями: 1 — магнитострикционным преобразователь; 2 — волнсвод; 3 — опора и устройство для создания усилия сжатия; 4 — сварочный инструмент (наконечник); 5 — свариваемые детали; 6 — опора для крепления деталей; 7 — обмотка возбуждения; 8 — обмотка подмагничивания; б — для ультразвуковой сварки крутильными колебаниями: 1 — преобразователь; 2 — обмотка возбуждения; 3 — концентратор; 4, 5 — волноводы; 6 — стержень, совершающий крутильные колебания; 7, 8, 9 — свариваемые изделия; 10 — столик; 11 — спираль для нагрева; в — для ультразвуковой сварки с косвенным импульсным нагревом: 1 — магнито-стрикционный преобразователь; 2 — волновод; 3 — сварочный инструмент; 4 — источник питания для нагрева сварочного инструмента

Лазерная сварка находит применение при монтаже различных элементов радиоэлектронной техники и при герметизации корпусов. Для микросварки наиболее широко используются лазеры на твердом теле (стекло с неодимом, алюмо-иттриевый гранат) с энергией излучения 2—30 Дж и длительностью импульса 1—10 мс.

Электронно-лучевая сварка успешно применяется для герметизации радиоэлектронных устройств в метгллостеклянных корпусах. Обычно используется импульсная сварка при ускоряющем напряжении 20—100 кВ и силе тока в луче до нескольких десятков миллиампер.

Диффузионная сварка в вакууме и в водороде начинает применяться в производстве микросхем для сварки термокомпенсаторов кристаллов и на других операциях.

Выполнение соединений в микросхемах. Применяется несколько схем монтажа полупроводниковых приборов и интегральных схем, в которых для соединения используются различные способы микросварки.

Наиболее широко распространенной схемой монтажа является соединение контактных площадок полупроводникового кристалла прибора, полученного по пленарной технологии, с внешними выводами корпуса с помощью гибких проводников. Один конец круглого проводника из алюминия или золота диаметром 10—300 мкм должен быть приварен к тонкой металлической пленке из алюминия или золота, напыленной на окисленный кремний, а другой — к золоченому или алюминированному ковару или к золоченой толстой пленке на керамическом основании корпуса.

При сборке кремниевых бескорпусных диодов плоские медные золоченые выводы присоединяют непосредственно к полупроводнику микросваркой давлением с образованием эвтектики.

Последовательность выполнения операций монтажа проволочных соединений между контактными площадками интегральных схем или транзисторов и выводами корпуса различными способами приведена в табл. 33.

При сварке термокомпрессией, косвенным импульсным нагревом и ультра-П) звуком можно применять все варианты монтажа. При односторонней контактной сварке приемлемой является только сварка внахлестку по первым двум вариантам.

В гибридных интегральных схемах гибкие проводники сваривают с металлическими пленками (тонкими и толстыми), напыленными или выращенными гальванически на диэлектрических подложках (ситалл, поликор, алюмокерамика).

Разработаны и начинают широко применяться в промышленности беспроволочные методы монтажа интегральных схем, позволяющие максимально автоматизировать процессы их сборки. Беспроволочный монтаж выполняется по нескольким схемам, отличающимся конструктивным исполнением соединяемых элементов (рис. 126).

Рис. 126. Схемы беспроволочного монтажа микросхем:
1 — кристалл интегральной схемы; 2 — лепестковые выводы («паучки»); 3 — внешние выводы корпуса (ковар, покрытый золотом или алюминием); 4 — подложка схемы из керамики; 5 — столбиковые жесткие выводы (выступы); 6 — «балочные» выводы

Наибольшее развитие получил способ монтажа лепестковых («паучковых») выводов к кристаллу и внешним выводам корпуса или контактным площадкам керамической подложки (рис. 126, а).

Для присоединения навесных элементов в гибридных схемах широко используется монтаж способом «перевернутого» кристалла с контактными выступами (столбиками) на подложке или кристалле (рис. 126, б). Находит применение и способ монтажа с балэчными выводами, причем эти выводы могут быть как на< кристалле полупроводникового прибора, так и на подложке гибридной схемы* (рис. 126, в). При беспроволочных способах монтажа сваривают разнообразные сочетания материалов (Аl—Al, A1—Аu, Аu—Аu, Сu—Sn—Аu и др.) и применяют различные типы соединений. При этом используются в основном групповые способы сварки (пайки), которые требуют более тщательного подхода к разработке и применению способов микросварки и рабочего инструмента.

Все способы беспроволочного монтажа разрабатывались в первую очередь с целью повышения производительности и надежности микросхем и снижения стоимости сборки и монтажа ИС и ГИС.

Монтаж навесных элементов с плоскими выводами в схемах на печатных платах выполняется несколькими способами сварки (или сварки-пайки) по двум вариантам (рис. 127): сварка плоских выводов приборов с токоведущими дорожками диэлектрической подложки (рис. 127, а) или с штырями, запрессованными в отверстия платы (рис. 127, б).

Рис. 127. Схема монтажа навесных элементов на печатные платы:
1 — навесной элемент (интегральная схема, транзистор, резистор); 2 — токоведущая дорожка печатной платы; 3 — вывод навесного элемента; 4 — металлический штырь; 5 — диэлектрическая плата (стеклотекстолит, гетинакс)

При монтаже навесных элементов на печатные платы могут быть применены следующие способы микросварки давлением: двусторонняя контактная точечная; односторонняя точечная сдвоенным электродом; ультразвуковая.

Из-за отклонения размеров выводов, токоведущих дорожек на подложке, толщины покрытия и т.д. для сварки плоских выводов обязательно применяют автоматическую подстройку режима в процессе сварки.

Рис. 128. Оптимальный термический цикл при сварке проводников с тонкими металлическими пленками на хрупких подложках

Параметры режимов сварки и свариваемость материалов микросхем. Свойства микросварных соединений, выполненных различными способами микросварки, зависят от следующих основных групп факторов:

сочетания свариваемых материалов, стабильности их механических свойств и состояния соединяемых поверхностей;

воспроизводимости параметров процесса сварки и эффективности применяемых систем регулирования и управления; типа рабочего инструмента, обеспечивающего получение сварных соединений необходимой формы.

Трудности создания соединений в электронных микросхемах заключаются в специфике элементов и особенностях кон-тактируемых пар: чрезвычайно большая разница в толщинах соединяемых элементов (проводники диаметром 20—750 мкм и пленки толщиной < 1 мкм) и большое различие физических свойств свариваемых элементов.

Для сварки проводников с тонкопленочными контактными площадками, напыленными на разнообразные подложки, применяется несколько способов в зависимости от сочетания свариваемых материалов выводов и контактных площадок. (табл. 34)

При сварке проводников с металлическими пленками на изоляционных подложках из стекла, ситалла, керамики необходимо создать такой цикл нагрева свариваемых деталей, при котором не происходит разрушения подложки в зоне в результате термического удара.

Наиболее приемлемый термический цикл нагрева и охлаждения подложки в зоне сварки показан на рис. 128.

При монтаже выводов навесных элементов на печатные платы, которые нельзя нагревать до высокой температуры, требуется выполнять сварку при минимальной длительности импульса (менее 3—5 мс).

Наиболее распространенным способом соединения при монтаже приборов в корпусе проволочными выводами остается термокомпрессия.

При термокомпрессии круглых проводников с металлическими пленками существует область оптимальных параметров режима (температура и усилие сжатия), в которой обеспечивается максимальная прочность сварных соединений. Величина этой области зависит от сочетания свариваемых материалов и типа рабочего инструмента.

Источник: Сварка в машиностроении. Справочник в 4-х томах. Редкол.: Г.А.Николаев и др. - М.: Машиностроение, 1978

Warning: Unknown: write failed: No space left on device (28) in Unknown on line 0

Warning: Unknown: Failed to write session data (files). Please verify that the current setting of session.save_path is correct (/home/u1676/tmp/php/sessions) in Unknown on line 0