Материал: Сборочные операции и их контроль в микроэлектронике. Балашов Ю.С., Зенин В.В

мых элементов органическими веществами типа смолы и т. п. Эксперименты по термообработке сварных контактов Al

– Аu, в вакууме не показали явных отличий в росте интерметаллических фаз в сравнении с газовыми средами.

При оценке надежности микросварных соединений необходимо учитывать существенные различия физикомеханических свойств интерметаллических соединений Al – Аu от свойств чистых металлов (табл. 4.1).

Схема образования фаз в соединении алюминий – золото представлена на рис. 4.5.

При изготовлении, испытаниях и эксплуатации полупроводниковые изделия подвергаются различным температурным обработкам, влияющем на структуру, механические и электрические свойства контактов Al – Au.

Таблица 4.1

Металлографическим анализом поперечных сечений соединений Al – Au было установлено, что непосредственно после ТКС в соединениях между алюминиевой проволокой и золотой пленкой имеется ровная по толщине прослойка интерметаллида толщиной 1 – 3 мкм (рис. 4.6, а). В соединениях, полученных УЗС, интерметаллидов оптическим способом обнаружить не удалось (рис. 4.6, б). После термотренировки, предусмотренной технологией производства полупроводниковых изделий, интерметаллиды примерно одной и той же тол-

81

щины были выявлены в контактах, полученных ТКС и УЗС. Следует отметить, что в соединениях, образованных УЗС, они имели ярко выраженный островковый характер (рис. 4.б, в). Проведенные исследования показывают, что отказы в контактах Al – Au. в большей степени связаны с механическими напряжениями, возникающими в сварном соединении и в структурах AuxAly из-за различия в коэффициентах термического расширения. Особенно это наглядно видно на соединениях, полученных УЗС. Анализ поперечных сечений соединений Al – Au с помощью шлифов показал, что интерметаллиды, представляющие собой островки, при нагреве (или при эксплуатации приборов) увеличиваются в размерах, образуя зазор в сварном соединении, тем самым не только уменьшая прочность соединения, но и изменяя электрическое сопротивление контактов. Чем больше площадь взаимодействия соединяемых металлов, например при ТКС, тем в меньшей степени проявляется эффект роста сопротивления контактов (рис. 4.6, г).

Для оценки качества микросоединений в технологии производства ИЭТ разработан экспресс-метод контроля испытаниями на коррозию. Установлена взаимосвязь между конст- руктивно-технологическими факторами образования микросоединений и их коррозионной стойкостью. Коррозионная стойкость соединений At – Au в 3 – 5 раз снижается из-за невоспроизводимое™ оптимальных параметров конструкции микросоединений (например, различия в натяжении проволоки, в ее деформации при сварке и др.). Доказано, что обработка микросоединений Al – Au летучими ингибиторами в 25 раз повышает коррозионную стойкость контактов.

С целью определения минимальной толщины золотого покрытия в контактных соединениях ИЭТ проведены исследования микросварных соединений, выполненных УЗС и ТКС, алюминиевой проволоки марки АКО, 9ПМ35 с гальваническим пленками золота толщиной от 0,5 до 5 мкм. Рассмотрены прочность и электросопротивление контактов после монтажа и после испытаний при температуре 300 °С в течение 10 ч. Лучше значения показателей прочности и электросопротивления получены для соединений с пленками золота толщиной 3 – 4 мкм.

Соединения с пленками золота толщиной менее 2 мкм имеют сравнительно низкие исходные значения по прочности сварных соединений из-за малого объемного взаимодействия контактирующих материалов. Поэтому в первые два часа термообработки происходит некоторое увеличение прочности соединений, а при дальнейшей термообработке прочность соединений и стабильность качества уменьшаются. Это связано с окислением металла подслоя в порах соединения, образованием дефектов по периферии контакта и отжигом алюминиевой проволоки.

4.2.3. Микросварные соединения алюминиевой проволоки с пленками никеля и его сплавами

На нужды электронной промышленности в конце 70-х годов расходовалось около 80 % золота, используемого в мире для технических целей. Из этого количества золота 90 % приходилось на технологическое покрытие корпусов или их участков. Поэтому изыскание путей замены золота, его экономии является важнейшей задачей полупроводниковой микроэлектроники. Вместе с тем, разработка конструкций и технологии монтажа микросоединений в ИЭТ без золота должны приниматься с учетом максимального использования существующих технологий и оборудования, применяемых в полупроводниковой микроэлектронике.

В последние годы велись работы по изучению возможности применения металлизации корпусов никелем и его сплавами, алюминированию, использованию медной рамки и металлизации на основе медных паст, а также комбинированным покрытиям корпусов. Для получения никелевой металлизации корпусов, отвечающей требованиям микросварки, необходимо внедрение новых электролитов никелирования с добавками, повышающими температурную стойкость покрытия, например, сплав никель – бор. Никелировать можно и некоторые типы серийно выпускаемых корпусов, но только после соответствующей доработки их в направлении снижения шероховатости поверхности контактных площадок.

Вакуумное алюминирование и алюминиевая плакировка пригодны только для пластмассовых и металлостеклянных корпусов, поэтому не решают проблему замены золота на корпусах приборов повышенной надежности. Внедрение гальванического алюминирования сдерживает сложность техпроцесса покрытий из расплава солей, а также отсутствие соответствующего серийного оборудования для этих целей.

Применение медных рамок и медных покрытий сильно усложняет технологический процесс сборки и может снижать надежность приборов из-за быстрого окисления меди, роста сульфидов и низкой коррозионной стойкости, особенно в контакте с алюминиевым выводом.

Анализ пленочной металлизации показал, что пленки никеля и его сплавов, а также алюминия являются наиболее перспективными технологическими покрытиями корпусов ИЭТ. Следует отметить, что соединения алюминиевой проволоки с алюминиевым покрытием корпусов ИЭТ характеризуются нестабильностью, как при сварке, так и при технологических испытаниях по причине низкого качества алюминиевых покрытий. Технологический процесс гальванического алюминирования корпусов является достаточно сложным, структура покрытий отличается у различных партий корпусов, полученных на одних и тех же режимах, что недопустимо в условиях массового производства ИЭТ.

Из вышеприведенного следует, что в настоящее время наиболее технологичными покрытиями корпусов ИЭТ являются никель и его сплавы. Установлено, что качественные соединения Al – Ni, формируются, в основном, УЗС при отсутствии на никеле оксидных пленок толщиной более 0,005 – 0,007 мкм и значительной площади взаимодействия контактируемых материалов, т. е. при малой шероховатости поверхности пленочной металлизации (Ra = 0,32 – 0,16 мкм). Это связано с большой микротвердостью никеля в сравнении с алюминием, что практически исключает пластическую деформацию покрытия при сварке.

Установлено, что УЗС алюминиевой проволокой по покрытиям, полученным электрохимическим никелированием с предварительной электрохимической полировкой поверхности, повышает прочность микросварных соединений Al – Ni в среднем на (2 – 4)·10–2 H по сравнению с покрытиями, полученными химическим и электрохимическим никелированием без предварительной подготовки поверхности (рис. 4.7).

86

Рис. 4.7. Интегральное распределение прочности микросварных соединений, выполненных УЗС, алюминиевой проволоки с различными никелевыми покрытиями: 1 – химическое никелирование; 2 – электрохимическое никелирование; 3 – химическое полирование с последующим электрохимическим никелированием; 4 – электрохимическое полирование с последующим электрохимическим никелированием

Существенным недостатком пленок из чистого никеля является их низкая теплостойкость, поэтому данные покрытия применимы только при низкотемпературном монтаже элементов или при использовании защитной среды. В процессе напайки кристаллов к корпусу происходит окисление никелевого покрытия, что резко ухудшает свариваемость алюминиевой микропроволоки с пленочными площадками.

Легирование никеля бором значительно повышает температурную стойкость сплава даже при малой концентрации бора, а микротвердость и хрупкость покрытия можно уменьшать путем отжига.

Эксперименты показали, что свариваемость покрытий Ni + 1 % B практически не изменяется после вы-

88