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

поверхности или растворении неорганических загрязнений. Для исследований влияния видов химической очистки

алюминиевой проволоки перед термокомпрессионной сваркой на качество сварных соединений Al – Au использовались следующие способы обработки:

–кипячение в изопропиловом спирте в течение 4 минут с последующей сушкой в вакууме (давление 0,14 Па) при температуре 70 °С в течение 10 мин;

–трехкратная обработка в ацетоне по 2 мин с последую-

щей сушкой в вакууме (давление 0,14 Па) при температуре 40 °С в течение 10 мин;

–обработка в течение 2 мин и дважды по 20 с в растворе триэтаноламина (ТЭА) (0,6 мл/л) с последующей сушкой после каждой операции при температуре 70 °С в течение часа;

–обработка в растворе триэтаноламина (0,6 мл/л); бензойнокислого натрия (0,2 г/л) в течение 2 мин с последующей сушкой при температуре 70 °С в течение часа.

Данные реагенты были выбраны потому, что они снимают примеси с поверхности проволоки, не подтравливая ее.

Сравнительная оценка влияния обработки проволоки перед сваркой проводилась ускоренными испытаниями соединений А1 – Аu на коррозионную стойкость. Для проведения коррозионных испытаний были изготовлены образцы, представляющие собой позолоченную коваровую ножку транзистора KT312, траверсы которой термокомпрессионной сваркой соединены алюминиевой проволокой, легированной 0,8 % Мg. Диаметр проволоки составлял 0,027 мм. Соединения формировались на установке НПВ-1A на режимах: давление инструмента 2,2 Н, температура 350 °С, время 0,4 с.

Исследования соединений Аl – Аu проводились в конденсате промышленной атмосферы (моль/л): 0,01·NaCl +

0,001·Na2SO4 + 0,001·N2SО3. Эффективность очистки проволоки оценивали по времени полного разрушения контакта.

Перед сваркой на проволоке, обработанной различными химическими веществами, снимались кривые потенциал – время (θ-η) со статическим градиентом потенциала 0,2 В. Ре-

109

жим снятия θ-η – кривых со статическим потенциалом 0,2 В давал возможность проводить ускоренные коррозионные испытания, так как этому интервалу потенциалов соответствует область активного растворения алюминия. Для сравнения были проведены аналогичные исследования на необработанной проволоке той же партии и плавки. Скорость разрушения микропроволоки обусловлена, как правило, ее структурной неоднородностью, а коррозия, несмотря на наличие химической обработки, носит язвенный характер. Алюминиевая проволока при наличии в ней магния подвергается равномерному коррозионному разрушению. Для того, чтобы замедлить развитие коррозионного процесса, необходимо снизить скорость анодной, либо катодной реакции. Применяемые для обработки вещества являются ингибиторами катодного типа. Следовательно, их ингибирующий эффект будет проявляться в том случае, если они достаточно прочно адсорбируются на поверхности защищаемого металла. Из всех исследованных химических веществ лишь триэтаноламин обладает ярко выраженной склонностью к хемосорбции, поэтому он и обладает более высокими защитными свойствами.

Результаты испытаний показали, что контактная коррозия сварных микросоединений имеет минимальную скорость в случае обработки алюминиевой проволоки раствором триэтаноламина, а также раствором триэтаноламина с бензойнокислым натрием (рис. 4.20).

Скорость разрушения контактов после обработки проволоки в изопропиловом спирте и ацетоне мало отличается от необработанных образцов. Следовательно, для повышения физико-химической устойчивости контактов алюминий – золото целесообразно обрабатывать проволоку перед термокомпрессионной сваркой в растворах, содержащих триэтаноламин. Такая обработка не только повышает коррозионную стойкость контактов, но и спо-

111

собствует получению наиболее стабильных результатов по прочности сварных соединений.

Рис. 4.20. Гистограмма кинетики разрушения контактов алюминий – золото в зависимости от видов химической обработки перед сваркой проволоки AМг08: а – раствор ТЭА с бензоинокислым натрием; б – без обработки; в – изопропиловыи спирт; г – ацетон

4.4. Зависимость качества микросоединений от технологических режимов микросварки

Одним из основных критериев качества микросоединений является их прочность, которая зависит от соединяемых материалов, методов соединения, конструктивных особенностей оборудования, формы и материала сварочного инструмента. При микросварке давлением проволочных выводов прочность микросоединений зависит от величины деформации проволоки. Величина деформации проволоки является обобщенной характеристикой режимов сборочных процессов: температуры, давления и времени сварки. При малой деформации прочность сварного соединения, как правило, незначительная. В этом случае при испытаниях прибора может произойти разрушение микросоединения по сварному шву. С увеличением деформации проволоки прочность соединения возрастает, но начинает снижаться прочность вывода за счет ослабления его сечения в месте наибольшей деформации. Оптимальная деформация проволоки определяется по достижению максимальной прочности на отрыв и ее стабильности для всех соединений. Для микросварных соединений алюминиевой микропроволоки, полученных методом ультразвуковой сварки, оптимальной считается деформация на 35 – 45 % больше исходного диаметра вывода, а при термокомпрессионной сварке ширина деформированной части проволоки в месте контакта не должна превышать трех диаметров проволочного вывода.

Для контроля прочности микросоединений в настоящее время существуют автоматы микросварки, предусматривающие автоматический контроль проволочных перемычек с последующей отбраковкой изделий, не вы-

державших испытание. Данные установки могут работать автономно или в составе линии сборки приборов.

Методы контроля сформированных микросварных соединений не могут быть использованы для оперативной корректировки параметров режима сварки, т. е. управления процессом микросварки. В настоящее время актуальным направлением разработок в области микросварки является создание систем активного контроля процесса формирования микросварных соединений и управления процессом микросварки. При этом очень важным является выбор исходных параметров, которые отображают состояние элементов в процессе формирования неразъемного соединения.

Различают следующие методы контроля формирования соединений и управления процессом микросварки: по электрическим характеристикам контакта; по деформации присоединяемой проволоки; по электрическим характеристикам ультразвуковой колебательной системы. Для организации процесса управления необходимо иметь информацию о результатах управления, устройство для анализа полученной информации и выработки решения, а также исполнительное устройство, осуществляющее управление сварочной системой.

При выборе метода управления процессом микросварки необходимо учитывать применимость его к конкретному способу сварки и конструкции изделия. Основным недостатком методов управления процессом микросварки является зависимость критерия качества микросварных соединений от свойств соединяемых элементов, подготовки свариваемых поверхностей и величины силы сцепления сварочного инструмента с присоединяемым выводом.

Одной из актуальных проблем управления качеством в электронной промышленности считается проблема снижения трудоемкости операции визуального контроля. Данная операция имеет весьма низкую эффективность, так как количественная оценка результатов затруднена из-за сложности описания процесса восприятия и переработки зрительной информации, а также неизбежности субъективного подхода к оценке

113

качества продукции со стороны контролера. Поэтому используются автоматы, заменяющие визуальный контроль на машинный. Работа данных автоматов состоит в фотографировании телевизионной камерой участков сварных соединений, сканировании изображения для получения последовательных электрических сигналов, преобразования последних в двоичные сигналы, которые оцениваются управляющим процессором мини-ЭВМ.

Основным недостатком автоматизированного визуального контроля является относительность критерия «оптимальная деформация», так как деформация проволоки еще не означает правильный выбор параметров режима сварки. Это связано с разбросом по диаметру микропроволоки, изменением поверхности пленочной металлизации на кристалле и корпусе у разных приборов одной и той же партии. Метод визуального контроля микросварных соединений рекомендуется проводить параллельно с другими методами.

Разработанные системы управления процессом микросварки и активного контроля качества эффективны при соблюдении оптимальных режимов микросварки. При выборе метода управления процессом микросварки необходимо учитывать применимость его к конкретному способу сварки и конструкции изделия. Например, для ультразвуковой микросварки на автоматическом оборудовании для любой конструкции прибора можно рекомендовать управление процессом микросварки по изменению амплитуды колебаний сварочного инструмента или по изменению электрических параметров цепи ультразвукового преобразователя. Последующий автоматический контроль каждой сформированной перемычки осуществляется калиброванной нагрузкой, а затем проводится заключительный контроль внешнего вида сварных соединений с помощью машинного зрения. При таком системном построении контроля возможно получение микросварных соединений с гарантированной стабиль-

ностью качества соединений. Метод контроля сформированных микросоединений выбирается в зависимости от предъявляемых требований по прочности и конструкции ИЭТ.

4.4.1. Влияние технологических режимов на прочность микросоединений при термокомпрессионной сварке

Для оценки влияния на прочность микросоединений технологических режимов проводились исследования по выбору оптимальных усилий сжатия и температуры термокомпрессионной сварки алюминиевой проволоки с пленками алюминия и золота. Время сварки (0,2 – 1,0 с) практически не влияет на прочность микросоединений. Рассматривались не только усилия отрыва проводников от пленок алюминия и золота, но и изменение величины деформации. В качестве материала вывода применялся алюминиевый проводник марки А999К09 диаметром 0,027 мм. Исследования прочности микросоединений проводились на пластинах, покрытых слоем алюминия и золота, а также на приборах типа KT312. Сварка выполнялась на установке НПВ-1A. Режимы термокомпрессионной сварки изменялись в следующих пределах: усилия сжатия от 0,5 до 1,5 Н на кристалле и от 1,6 до 2,4 Н на траверсе, температура сварки от 260 до 360 °С, время сварки во всех случаях 0,4 с.

Испытания на прочность проводились путем разрушения микросоединений под углом 90° к поверхности подложки. При этом наблюдались в основном два вида разрушений: обрыв по утонению проволоки в месте контакта; частичное или полное отслаивание проволоки от пленок. Первый вид разрушений имеет место при температуре сварки 340 – 360 °С. При температуре сварки 280 – 320 °С в основном наблюдались разрушения с отслаиванием проводника. В этом случае на поверхности пленок алюминия видны характерные линии сдвига и зоны объемного взаимодействия проводника с пленкой золота.

Деформация и усилия отрыва алюминиевой проволоки с пленками Al и Аu, изменяются в зависимости от температуры сварки. Можно выделить две характерные зоны: первая 280 –

115

320 °С и вторая 320 – 360 °С. В первой зоне прочность соединений Al – Al (рис. 4.21, б) при усилии сжатия Q = 1 H и А1 – Аu (рис. 4.22, б) при усилии сжатия Q = 2 Н изменяется незначительно и колеблется в пределах 0,01 – 0,02 Н. Во второй зоне наблюдается значительное увеличение прочности до 0,03 – 0,05 Н.

а) б)

Рис. 4.21. Изменение величины деформации (а) алюминиевой проволоки диаметром 0,027 мм и прочности микросоединений (б) от температуры термокомпрессионной сварки при усилии сжатия 1,0 Н

Деформация алюминиевой проволоки ε после термокомпрессионной сварки определялась по формуле

ε = (1 – π/4 – d/B)·100 %,

где d – исходный диаметр алюминиевой проволоки; B – ширина сварной точки (деформированной проволоки).

Усилия сжатия, при которых достигается наибольшая прочность микросоединений, составляют 2 – 2,2 Н для соединения Al – Au и 1 – 1,2 Н для соединения Al – Al при температуре сварки 350 °С. При меньших усилиях сжатия разрушение микросоединений сопровождается в

117

основном отслаиванием выводов от пленок. Усилия сжатия (1,3 – 1,5 Н на кристалле и 2,3 – 2,5 Н на траверсе) приводят к увеличению деформации проволоки. Разрушения при этих режимах наблюдаются в виде отрыва по утонению проволоки в месте контакта.

Исследования формы и размеров сварных соединений показывают, что величина деформации проводника изменяется незначительно при изменении температуры и усилии сжатия при сварке. Так, для соединения Al – Al при температуре сварки 350 °С и усилии сжатия 0,5 Н ширина сварной точки со-

ставляет 50 – 54 мкм (ε = 58 – 61 %)

и 63 – 71 мкм (ε = 67 – 70 %) при усилии сжатия 1,1 Н. Соответственно при той же температуре сварки для соединения Al

– Au ширина сварной точки составляет 68 – 74 мкм (ε = 68 – 72 %) при усилий сжатия 1,6 Н и 75 – 88 мкм (ε = 72 – 76 %) при усилии сжатия 2,4 Н (рис. 4.23, а).

Усилие сжатия является величиной фиксированной, т. е. не изменяющейся в процессе сварки, поэтому на рис. 4.21, б и 4.23, б приведены только средние арифметические значения прочности без учета разброса из-за геометрической нестабильности сечений проволоки. Колебание температуры сварки в пределах ± 5 °С от оптимальной (350 °С) несущественно влияет на изменение величины деформации проволоки и прочности микросоединений в сравнении с отклонениями геометрических размеров исходного диаметра проволоки. Так, в соединениях Al – Al (рис. 4.21, а) при оптимальной температуре величина деформации (средние арифметические значения ε ) изменяется от 68 до 69,2 % в то время как разброс из-за геометрической не стабильности сечения проводника диаметром 0,027 мм составляет 66,9 – 70,2 %. Аналогично изменяется и прочность микросоединений. При этом в первом случае разброс составляет 0,023 – 0,027 Н и 0,021 – 0,035 Н – во втором.

Одним из возможных способов высокопроизводительной сварки алюминиевых лепестковых выводов толщиной 30 – 40 мкм и шириной 100 – 150 мкм с полупроводниковым кристаллом является ударная термокомпрессионная микросварка.

118

Рис. 4.22. Влияние усилия сжатия Q, при термокомпрессионной сварке на прочность микросоединений алюминий – алюминий в зависимости от температуры: 1 – 300 °С; 2 – 325 °С; 3 – 350 °С

а) б)

Рис. 4.23. Изменение величины деформации (а) алюминиевой проволоки диаметром 0,027 мм и прочности микросоединений (б) от температуры термокомпрессионной сварки при усилии сжатия 2,0 Н

119