Материал: Сборочные операции и их контроль в микроэлектронике. Балашов Ю.С., Зенин В.В
валось по шлифам поперечных сечений с точностью до 1 мкм. Установлена зависимость растворения золотой проволо-
ки при низкотемпературной пайке выводов ИС на печатные платы от температуры и времени пайки. Из рис. 4.14 видно, чем меньше температура расплава, тем меньше растворимость золотой проволоки в припое. В связи с этим, рекомендовано при монтаже ГИС золотой проволокой пайку проводить при температуре не выше 10 °С от температуры плавления припоя.
Экспериментальным путем установлена зависимость растворения золотой проволоки диаметром 40 мкм от времени выдержки в твердой фазе (температура 100 °С) низкотемпературных припоев (рис. 4.15). Полное растворение проволоки произошло через 60 ч испытаний в припое ПОСК50-18 и через 540 ч – в припое ПОИ50. Наименьшей растворимостью обладает золотая проволока в контакте с припоями на основе эвтектики олово-свинец: за 600 ч выдержки в припое ПСрОСЗ58 диаметр проволоки уменьшился до 18 мкм.
Рис. 4.14. Растворение золотой проволоки диаметром 40 мкм от времени выдержки в припое ПОС-61 при различных температурах расплава, °С: 1 – 190; 2 – 210; 3 – 230; 4 – 250
100
Рис. 4.15. Растворение золотой проволоки диаметром 40 мкм от времени выдержки при температуре 100 °С для различных припоев: 1 – ПСрОСЗ-58; 2 – ПОИ50; 3 – ПООК50-18
Для уменьшения растворения золотой проволоки как в жидкой, так и в твердой фазах припоя используют способ пайки сопротивлением, позволяющий гарантировать дозированное погружение в припой золотой проволоки при пайке.
4.3. Влияние свойств соединяемых элементов и их подготовки к монтажу на качество соединений
Трудоемкость технологических процессов сварки и пайки в производстве изделий электронной техники составляет 15 % от их общей трудоемкости изготовления. Для увеличения выхода годных изделий на операциях монтажа необходимо повысить качество инструмента и проволоки, а также улучшить состояние поверхности контактных площадок на кристалле и покрытий корпуса.
Дальнейшее развитие технологии и оборудования сборочных процессов связано с разработкой автоматического оборудования с электронными сканирующими устройствами и системами оптико-телевизионного контро-
101
ля. Уже созданы автоматы производительностью до 10 – 15 тыс. соединений в час и выше. Автоматизация процессов монтажа проволочных соединений предъявляет повышенные требования к механическим и физическим свойствам проволоки, определяемым ее составом.
На прочность и качество микросоединений существенное влияние оказывают поверхностные загрязнения проволоки и контактной площадки. Наличие оксидов металла или органических загрязнений действует как барьер, препятствующий осуществлению взаимодиффузии между проволокой и пленкой. Оксиды металлов обычно удаляются химическим травлением, а органические загрязнения перед термокомпрессионной сваркой рекомендуется удалять ультрафиолетовым облучением. Травление золотой проволоки и пленки перед сваркой в растворе (Н2О:HF·HNO3) с концентрацией (10:1:1) приводит к увеличению прочности соединений проволока – пленка. Кроме того, данный раствор не изменяет геометрических размеров проволоки и морфологии ее поверхности.
Поверхностные явления играют очень важную роль в обеспечении качества контактных соединений в производстве РЭА. Исследования с применением метода Ожеспектроскопии термокомпрессионных соединений показали, что причины появления пурпурной и черной чумы самым тесным образом связаны с чистотой и загрязнениями поверхности, к которой присоединяется проводник.
4.3.1. Прочность микросоединений, выполненных термокомпрессионной и ультразвуковой сваркой, в зависимости от механических свойств алюминиевой проволоки
В настоящее время в качестве материала перемычек между кристаллом и корпусом в большинстве случаев применяют алюминий и золото. Золото обладает уникальными физикомеханическими свойствами, однако его применение ограничено из-за металлургической «несовместимости» с алюминие-
выми пленками. Применение алюминиевой проволоки позволяет использовать при монтаже микросоединений термокомпрессионную и ультразвуковую сварки.
Проволоку микронных размеров получают методом волочения через алмазные фильтры или гидростатическим прессованием – гидроэкструзией. Для волочения проволоки из легированного кремнием алюминия в медной оболочке разработана прямоточная машина марки МВА-4/40. Основные технические характеристики машины следующие: скорость волочения до 200 м/мин, диаметр проволоки от 0,1 до 0,029 мм.
Наиболее важными механическими свойствами привариваемой проволоки являются прочность и относительное удлинение. Прочность – есть напряжение при разрушении, а относительное удлинение – процентная деформация при разрушении проволочного образца, подвергнутого испытанию натяжением при комнатной температуре. Эти свойства могут изменяться в довольно широких пределах для каждой партии и даже для отдельных катушек одной партии проволоки. Для стабилизации свойств проволоки микронных размеров ее подвергают отжигу перед монтажом. Целью отжига является снижение механической прочности и повышение пластичности проволоки.
Параметры механических свойств сварочной проволоки (прочность и удлинение) основываются, в основном, на данных, полученных в лабораторных условиях. Однако условия сборки на высокопроизводительной установке могут существенно отличаться от лабораторных. Поэтому сведения о механических свойствах проволоки постоянно изменяются, когда накапливаются экспериментальные данные с производственных участков. Это прагматическое приближение удовлетворительно для операции сборки стандартного прибора, но заведомо неэффективно, когда применяется новая проволока или из-
102 |
103 |
менения касаются выводной рамки или металлизации кристал- |
Алюминиевая проволока марки А999 диаметром |
||||||
ла. |
|
|
0,025 – 0,04 мм, легированная 1 % кремния, обладает |
||||
Неиспользованная проволока с течением времени может |
достаточной прочностью при некотором снижении элек- |
||||||
менять свои свойства. Это обусловлено релаксацией напряже- |
тропроводности по сравнению с чистым алюминием. Од- |
||||||
ний от холодной обработки, вводимых во время волочения. |
нако введение в алюминий легирующего элемента крем- |
||||||
Ослабление напряжений обычно вызывает увеличение удли- |
ния приводит к неоднородной двухфазной структуре |
||||||
нений, но если релаксация металла неоднородна, удлинение |
сплава. Предварительная закалка прутков из сплава алю- |
||||||
может уменьшаться. Чтобы свести к минимуму изменение |
миния с 1 % кремния позволяет получить структуру мик- |
||||||
свойств долго не использованной проволоки, обычно рекомен- |
ропроволоки с равномерным мелкодисперсным распре- |
||||||
дуется хранить ее при комнатной температуре и не более 6 ме- |
делением второй фазы. |
|
|||||
сяцев. |
|
|
Механические свойства проводников влияют не |
||||
Релаксация напряжения в проволоке может изменять |
только на прочность микросоединений, но и на надеж- |
||||||
прочность сварного микросоединения. Наибольшую деграда- |
ность контактов и полупроводниковых приборов в це- |
||||||
цию испытывает проволока, подвергнутая холодной обработ- |
лом. Прочность алюминиевой проволоки влияет на цело- |
||||||
ке, отожженная проволока изменяется |
в |
меньшей степе- |
стность оксида SiO2 под сварным контактом. Известно, |
||||
ни.Данные зависимости прочности на разрыв |
и относитель- |
что после ультразвуковой сварки изменяется сопротив- |
|||||
ного удлинения δ от температуры отжига для различных марок |
ление между проволочным выводом и подложкой, т. е. |
||||||
алюминиевой микропроволоки представлены на рис. 4.16. |
через пленку SiO2. В соединениях, в которых использо- |
||||||
|
|
|
валась проволока с прочностью на разрыв Рразр. = 0,3 – |
||||
|
|
|
0,37 Н, |
наблюдалось |
сопротивление |
утечки менее |
|
|
|
|
100 кОм, т. е. происходило нарушение пленки оксида. |
||||
|
|
|
Для соединений с проволокой Рразр. = 0,2 – 0,25 Н сопро- |
||||
|
|
|
тивление утечки составляло около 1 кОм. |
|
|||
|
|
|
Для исследования влияния физико-механических |
||||
|
|
|
свойств алюминиевых проводников на качество контак- |
||||
|
|
|
тов при термокомпрессионной сварке оценивалась проч- |
||||
|
|
|
ность соединений проводник – алюминиевая пленка. В |
||||
|
|
|
качестве выводов применялась алюминиевая проволока |
||||
|
|
|
диаметром 0,027 мм с различной прочностью на разрыв: |
||||
|
|
|
Ppaзр. = 0,16; 0,20; 0,24 Н. Различные механические свой- |
||||
|
|
|
ства алюминиевых проводников получены соответст- |
||||
а) |
б) |
вующей термообработкой. |
|
||||
Для оценки влияния химического состава провод- |
|||||||
Рис. 4.16. Зависимость прочности на разрыв (а) и относи- |
|||||||
ников |
на прочность |
микросоединений |
использовалась |
||||
тельного удлинения (б) от температуры отжига для различных |
|||||||
марок алюминиевой микропроволоки. |
алюминиевая проволока диаметром 0,027 мм, легирован- |
|
ная 0,72 % Mg, 1 % Mg, 0,9 % Si и 0,5 % Сu. Толщина |
||
|
104 |
105 |
алюминиевых пленок составляла 1 – 1,2 мкм. Термокомпрессионная сварка выполнялась на установке НПВ-1A на оптимальных режимах: температура 350 ± 5 °С, усилие сжатия 1,1 Н и время 0,4 с. Микросоединения подвергались визуальному контролю под микроскопом. Прочность соединений измерялась путем отрыва проводников под углом 45° к подложке.
На рис. 4.17 представлены зависимости прочности микросоединений от механических свойств алюминиевой проволоки. Как видно из рисунка, механические свойства проволоки практически не влияют на прочность микросоединений. Это можно объяснить тем, что при термокомпрессионной сварке происходит дополнительный отжиг проволоки. Разброс по прочности микросоединений объясняется нестабильностью геометрических размеров сечений проволоки.
Прочность микросоединений зависит от химического состава материалов выводов (рис. 4.18). Некоторое увеличение прочности достигается при сварке проволокой, легированной
магнием и кремнием.
Рис. 4.17. Интегральное распределение прочности соединений Al – Al, выполненных термокомпрессионной сваркой, проволокой с различной прочностью: 1 – Рразр. = 0,16 Н; 2 – Рразр. = 0,20 Н; 3 – Рразр. = 0,24 Н
Воспроизводимость прочности микросоединений в зависимости от химического состава алюминиевой проволоки недостаточно высокая, В значительной степени это связано с технологическими режимами сборочных операций.
Качество соединений алюминиевая проволока – пленка, выполненных ультразвуковой сваркой, также зависит от свойств проволоки. Для исследования зависимости прочности соединения от содержания кремния в алюминии проволока приваривалась к пленке на следующих режимах: мощность ультразвукового преобразователя 0,6 – 0,7 Вт, давление сварочного инструмента 0,3
– 0,4 Н, время сварки 0,1 – 0,2 с. Максимальная проч-
106 |
107 |
ность с наименьшим разбросом ее показателей достигается при ультразвуковой сварке алюминиевой проволоки диаметром 0,04 мм, легированной 0,5 и 0,8 % кремния (рис. 4.19).
Рис. 4.18. Интегральное распределение прочности соединений Al – Al, выполненных термокомпрессионной сваркой, проволокой с различным содержанием легирующих веществ: 1
– Al (0,5 % Сu); 2 – А1 (0,72 % Mg); 3 – Al (0,9 % 56 Si); 4 – Al (1,0 % Mg)
4.3.2. Влияние химической обработки алюминиевой проволоки перед сваркой на качество соединений
При решении вопроса о надежности микросоединений в ИЭТ, наряду с отработкой режимов монтажа, следует учитывать и такой фактор, как подготовка соединяемых элементов к сварке или пайке. К сожалению, вопросам влияния очистки проволоки и пленочной металлизации перед операцией при-
соединения выводов на надежность микросоединений уделяется недостаточное внимание.
Проволока, подлежащая сварке, должна быть гладкой и чистой. При УЗС поверхностные пленки и загрязнения интенсивно вытесняются из зоны сварки, но не полностью. Поэтому проволоку необходимо очищать от смазки, отпечатков пальцев, водяных капель, монооксида кремния и других включений, загрязняющих контактные площадки кристалла и корпуса при сборке, тем самым, ослабляя сварное соединение. Кроме того, нарушается свободная подача проволоки через отверстие микросварочного инструмента.
Рис. 4.19. Зависимость прочности сварных соединений на отрыв проволоки диаметром 0,04 мм под углом 90° к подложке от содержания кремния в алюминии:
– соединение Al – Al 
– соединение Al – Аu.
Обычно в полупроводниковой промышленности используется способ «мокрой» химической очистки, заключающийся в частичном стравливании металлической
108