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

В ГИС и микросборках широко используется монтаж золотой проволоки к контактным площадкам из сплавов оловосвинец (OC61) и олово – никель. Основная сложность получения качественных соединений золотой проволоки с покрытием OC61 обусловлена растворением золота в жидких оловянносвинцовых припоях.

Рис. 4.9. Внешний вид микросоединений золотой проволоки с оловоникелевым покрытием, сформированными различными способами микросварки: а – на установке ЭМ-429; б – термокарандашом (односторонняя контактная сварка). Увеличение 150Х

При изготовлении некоторых типов микросборок используют однослойные платы, представляющие собой фольгированный медью диэлектрик. Для контактных площадок на фольгированный диэлектрик гальваническим методом наносят

90

оловоникелевое покрытие. В технологии производства микросборок толщина данных покрытий составляет от нескольких мкм до десяти и более мкм. Поэтому выбор оптимальной толщины оловоникелевого покрытия является актуальным вопросом для получения качественных микросоединений при монтаже микросборок.

С этой целью проведены исследования микросоединений золотой проволоки с оловоникелевым покрытием различной толщины. Покрытия состава 65 – 67 % Sn + 33 – 35 % Ni наносили гальваническим способом на фольгированный диэлектрик марки ФДМЭ-1 при плотности катодного тока 0,02 А/см2. Образцы для исследований имели толщину пленок от 1 до 13 мкм с интервалом через 2 мкм.

Для исследования влияния толщины оловоникелевого покрытия на качество микросоединений с золотой проволокой диаметром 40 мкм образцы разваривались термокарандашом (односторонняя контактная сварка) и на установке ЭМ-429 на оптимальных режимах. Анализировалась не только прочность микросварных соединений, но и фиксировалась величина деформации золотой проволоки. Внешний вид микросварных соединений золотая проволока – оловоникелевое покрытие показал (рис. 4.9), что сварные соединения, полученные на установке ЭМ-429, мало отличаются друг от друга как по прочности (около 0,15 Н), так и по величине относительной деформации проволоки после сварки (в среднем 62 мкм). Прочность микросоединений, выполненных термокарандашом, имеет разброс от 0,05 до 0,16 Н. Также наблюдаются значительные изменения деформации проволоки от 50 до 160 мкм (рис. 4.10). Это необходимо связывать с особенностями монтажа микросоединений термокарандашом.

Толщина оловоникелевого покрытия практически не влияет на прочность микросварных соединений, но при малых значениях (до 3 мкм) уменьшается деформа-

92

ция проволоки, что объясняется большей твердостью оловоникелевого покрытия по сравнению с медью. В процессе сварки при большей толщине гальванического покрытия меньшая часть механического воздействия сварочного инструмента идет на деформацию фольгированного диэлектрика и проволока при этом получает большую деформацию.

Рис. 4.10. Средние значения прочности микросоединений золотой проволоки с оловоникелевым покрытием (а) и величины деформации золотой проволоки (б) от толщины покрытия при монтаже различными методами: 1 – сварка термокарандашом; 2 – сварка на установке ЭМ-429 при напряжении 20

– 25 В, времени импульса 0,05 с и давлении электрода на проволоку 1,0 – 1,2 Н.

Для выяснения термостойкости исследуемых контактов они были подвергнуты термотренировке при температуре 125 °С в течение трех суток в воздушной среде. В процессе металлографического анализа поперечных сечений микросоединений проволока – оловоникелевое покрытие каких-либо существенных изменений, связанных с диффузионными процессами, не обнаружено

(рис. 4.11).

Рис. 4.11. Вид поперечного сечения микросварного соединения золотой проволоки диаметром 0,04 мм с оловоникелевым покрытием толщиной 5 мкм после термотренировки при температуре 125 °С в течение 72 часов. Увеличение 1200Х

Для исследований влияния толщины покрытия OC61 на структуру и прочность микросоединений при монтаже золотой проволокой в качестве подложки использовался диэлектрик, фольгированный медью толщиной 35 мкм. На медную поверхность наносили гальваническим методом слой покрытия толщиной 6 и 16 мкм. Внешний осмотр покрытий после их нанесения показал, что пленки толщиной 6 мкм крупнозернистые, тусклые, с белым налетом. Покрытия толщиной 16 мкм имеют бле-

стящий внешний вид и достаточно высокую пластичность. Золотую проволоку диаметром 40 мкм присоединяли к оловянносвинцовым покрытиям OC6I на установке с расщепленным электродом

Прочность соединений проволоки с покрытием оценивалась с точностью до 0,01 Н (рис. 4.12). При оценке прочности во всех случаях микросоединения разрушались по проволоке без отслоения контакта от подложки. Кроме прочностных свойств контактов анализировался внешний вид соединений и исследовалась микроструктура сечений проволока – контактная площадка.

Рис. 4.12. Распределение прочности микросоединений золотой проволоки с покрытием OC61 различной толщины: 1 – толщина покрытия 6 мкм; 2 – толщина покрытия 16 мкм.

Максимальная прочность контактов золотой проволоки с покрытиями толщиной 6 и 16 мкм (0,22 Н) достигается за счет того, что проволока в месте соединения покрывается расплавом OC61 за счет натекания жидкой фазы. Прочность микросоединений в этих случаях находится в прямой зависимости от разрывных усилий самой проволоки. На покрытиях толщиной 16 мкм соединений с максимальной прочностью в два раза больше. Это можно объяснить наличием большего числа проволочных выводов, покрытых припоем не только в зоне кон-

94

такта, но и выше паяного соединения. Однако на покрытиях толщиной 16 мкм имеют место и соединения с минимальной прочностью 0,05 Н. Такой разброс прочности контактов, по-видимому, нужно связывать с хрупкой прослойкой припоя, обогащенной золотом.

В процессе формирования соединения с импульсным вводом энергии происходит локальное расплавление покрытия, которое смачивает золотую проволоку в месте контакта. В жидком объеме припоя идет растворение золота, а вместе с этим обогащение им этой области припоя. Известно, что легирование припоев на основе эвтектики олово – свинец 5 % золота приводит к охрупчиванию этих припоев. При формировании соединений на покрытии OC61 толщиной 16 мкм большая поверхность золотой проволоки находится в контакте с жидким припоем, чем на поверхности толщиной 6 мкм. Это определяет большую легированную область и наибольшее растворение золотой проволоки в первом случае. Чем толще хрупкие прослойки, тем легче они разрушаются при термоциклировании, что и приводит к понижению прочности микросоединений. Это хорошо согласуется с металлографическими исследованиями поперечных сечений соединений. Легированная прослойка в соединениях, полученных на покрытиях OC6I толщиной 16 мкм, значительно толще, чем в соединениях на покрытиях толщиной 6 мкм.

Следовательно, при монтаже соединений золотой проволоки с контактными площадками, покрытыми слоем OC61, импульсной сваркой предпочтительней покрытие толщиной около 6 мкм.

При изготовлении РЭА широко применяются микросборки на бескорпусных ИС в основном с проволочными золотыми выводами. Монтажной платой в таких микросборках может быть ситалловая, поликоровая платы, пассивная часть которых выполнена методом тонкопленочной технологии, керамическая плата из материала

95

22ХС с пассивной частью, выполненной методом толстопленочной технологии, и многослойные печатные платы с шагом координатной сетки 0,625 мм.

Впоследнее время все более широко применяются микросборки с алюминиевой коммутацией, выполненной методом тонкопленочной технологии. Использование алюминия в качестве токоведущих дорожек и контактных площадок обусловлено хорошей адгезией, высокой теплопроводностью, простотой проведения процессов фотолитографии.

Однако из-за преобладающего использования для выводов бескорпусных ИС и внутрисхемных соединений золотых проволочных проводников необходимо отрабатывать процесс сварки золотых проводников с алюминиевыми контактными площадками для получения надежных соединений.

Работы по присоединению выводов бескорпусных ИС на установке ультразвуковой сварки ЭМ-424 показали, что качество и стабильность сварного соединения зависят от ряда факторов: точности настройки магнитострикционного преобразователя и установки рабочего электрода, жесткости фиксации электрода и схемы, разнотолщинности выводов бескорпусных ИС, чистоты соединяемых поверхностей и др. Все факторы в совокупности выдержать невозможно и нельзя получить качественные по прочности и внешнему виду сварные соединения.

Всвязи с этим основные работы проводят на установках контактной сварки ЭМ-429 расщепленным электродом при косвенном нагреве и термокарандашом с V-образным электродом в импульсном режиме, где в процессе сварки металл в зоне контакта нагревается до температуры, достаточной для того, чтобы в момент приложения усилия осадки (сжатия) соединяемый металл пластически деформировался до состояния схватывания и образования прочного соединения.

Впроцессе экспериментальных работ определены оптимальные режимы сварки. Например, для сварки расщепленным электродом золотой проволоки диаметром 0,04 мм режимы следующие:

–время нарастания и спада сварочного импульса η:

250 – 350 нс;

–время сварочного импульса η´: 250 – 350 нс;

–давление сварочного инструмента Q: 1,0 – 1,1 Н;

–мощность W: 0,7 – 0,9 Вт.

На рис. 4.13 приведен характер изменения прочности сварного соединения при изменении времени нарастания и спада сварочного импульса.

Качество сварки определяли визуально под микроскопом при увеличении 16Х. При этом деформация проводника составляла 1,5 – 2,5 его диаметра. Прочность сварных соединений контролировали на установке УКПМ-1. Сварное соединение выдерживает без механических повреждений воздействие растягивающей силы, направленной вдоль оси проводника, равной 0,09 – 0,14 Н.

В целях дополнительной проверки качества сварных соединений опытная партия образцов была подвергнута испытаниям, включающим в себя воздействия термоциклов, линейных центробежных нагрузок, вибрации, одиночных и многократных ударов. Кроме того, образцы были подвергнуты нагреву при температуре 250 °С в течение 5 ч. Дефектов сварных соединений и изменений по внешнему виду обнаружено не было.

Рис. 4.13. Характер изменения прочности сварного соединения при изменении режимов сварки:

I режим – η´ = 400 мс; W = 0,8 Вт; Q = 1,1 Н;

II режим – η´ = 300 мс; W = 0,8 Вт; Q = 1,1 Н

Анализ прочности микросварных соединений золотых проводников диаметром 40 – 50 мкм выполненных различными видами сварки, показал, что применение расщепленного электрода и сдвоенного электрода с регулируемым зазором дает возможность использовать один и тот же инструмент как для сварки выводов с микросхемами, так и с печатными платами. Сварка с контактированием иглой нецелесообразна для присоединения выводов к контактным площадкам, имеющим толщину золотого покрытия менее 0,7 мкм.

На прочность термокомпрессионных межсоединений, выполненных на установках шариковой сварки, влияют диаметр сварного соединения и смещение его относительно края контактной площадки. Допустимое значение смещения сварной точки относительно края контактной площадки может быть до 0,5 размера площадки. Эти условия позволяют обеспечить прочность межсоединений золотой проволокой диаметром 0,03 мм не менее 0,03 Н с вероятностью более 99,87 %.

4.2.5. Пайка золотой микропроволоки с контактными площадками ГИС и микросборок низкотемпературными припоями

Вопросы формирования надежных контактов с использованием золотой проволоки и низкотемпературных припоев еще полностью не решены. Если и удалось, в частности, получить прочные паяные соединения с помощью индиевых припоев, то нельзя не учитывать то, что процессы старения протекают в этих соединениях с большей скоростью, чем при использовании оловянносвинцовых припоев. Поэтому при решении применять тот или иной припой необходимо учитывать конструкционные особенности ИЭТ и их условия эксплуатации. Знание процессов взаимодействия золотой проволоки с различными припоями, как при пайке, так и при эксплуатации ИЭТ в конечном итоге определяет долговечность и надежность контактных соединений.

В производстве ГИС и микросборок для монтажа золотой проволокой диаметром 0,04 мм широко применяются припои ПОС-61, ПОС-61М, ПСрОСЗ-58, ПОИ50 и ПОСК50-18. При пайке золотой проволоки к контактным площадкам ГИС вышеуказанными припоями наблюдались дефекты паяных контактов как на стадии производства, так и на этапе эксплуатации. Исследования показали, что отказы на стадии монтажа связаны с растворением золотой проволоки в жидкой фазе припоя (при пайке), а на этапе эксплуатации – в твердой фазе (при воздействии повышенных температур).

Для исследования процессов растворения золотой проволоки в жидкой фазе припоя использовалась специально разработанная установка, позволяющая изменять время контактирования проволоки с жидким припоем от 0,2 до 10 с. Скорость растворения золота определялась по уменьшению диаметра сердцевины проволоки, не затронутой реакцией. Растворение золотой проволоки оцени-