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

Рис. 4.24. Влияние усилия сжатия Q при термокомпрессионной сварке на прочность микросоединений алюминий - золото в зависимости от температуры: 1 – 300 °С; 2 – 325 °С; 3 – 350 °С

Применение ударной термокомпрессионной сварки позволяет повысить стабильность свойств соединений по сравнению с ультразвуковой сваркой и снизить брак в 2,8 раза.

Процесс групповой термокомпрессии падающим пуансоном обеспечивает хорошую воспроизводимость прочности соединений при сварке алюминиевых лепестковых выводов сечением 0,03 – 0,3 мм с коваровой золоченой рамкой толщиной 0,25 мм. Оптимальный режим сварки характеризуется следующими параметрами: температура нагрева рабочего стола 300 °С масса пуансона 7,4 кг; высота подъема пуансона относительно стола 0,6 мм.

4.4.2. Влияние технологических режимов на прочность микросоединений при ультразвуковой сварке

Основными параметрами микросварки являются: мощность ультразвукового преобразователя, амплитуда колебаний сварочного инструмента, усилие сжатия и время микросварки. С учетом малых толщин и размеров соединяемых элементов к основным параметрам следует отнести частоту колебаний микросварочного инструмента. При этом для конкретной сварочной установки частота является постоянной величиной, изменяемой только в узких пределах. При этом следует помнить, что одним из наиболее важных параметров является электрическая мощность, подводимая к преобразователю. Электрическая мощность определяет мощность, поглощаемую в зоне сварки (акустическая мощность), от которой зависит качество микросварного соединения. Акустическая мощность, передаваемая в зону сварки, составляет не более 20 – 30 % электрической мощности ультразвуковой колебательной системы.

Амплитуда колебаний в период микросварки дает большее представление об акустической мощности, чем электрическая мощность преобразователя. Поэтому увеличение амплитуды колебаний ведет к повышению акустической мощности в зоне сварки. Следует отметить, что амплитуда колебаний имеет оптимальное значение для каждого свариваемого материала определенной толщины.

На прочность микросоединений при ультразвуковой микросварке существенное влияние оказывает усилие сжатия, которое обусловливает возникновение тангенциальных напряжений в месте сварки. Оптимальное усилие сжатия увеличивается с увеличением толщины свариваемых элементов и размера сварного соединения и существенно зависит от подводимой мощности. Чем больше усилие сжатия, тем больше должна быть ампли-

туда колебаний инструмента и необходимая электрическая мощность. Если усилие сжатия не обеспечивает необходимого сцепления между инструментом и верхней свариваемой деталью, то происходит проскальзывание инструмента по детали и сварного соединения не образуется. Усилие сжатия должно увеличиваться пропорционально амплитуде колебаний инструмента при соответствующем увеличении мощности колебательной системы.

Длительность сварки увеличивается с толщиной материала, твердостью и уменьшением электрической мощности. Существует экстремальный характер зависимости прочности микросварных соединений от времени сварки. Уменьшение прочности при длительном времени микросварки объясняется в большинстве случаев увеличением общей деформации и появлением трещин в зоне микросварки.

Частота колебаний ультразвуковой микро сварочной установки выбирается с учетом физико-механических свойств и размеров соединяемых элементов. Соединение элементов полупроводниковых приборов и ИС целесообразно проводить на частотах свыше 20 кГц. Зависимость энергии ультразвуковых колебаний от амплитуды и частоты определяется по формуле

ε = ξ·f·η,

где ξ, f, η- соответственно амплитуда, частота и время микросварки. Из этого выражения видно, что сохранение необходимого для сварки уровня мощности можно компенсировать соответствующим повышением частоты или уменьшением амплитуды.

На рис. 4.25 показано влияние основных параметров ультразвуковой сварки (длительности η, усилия сжатия Q амплитуды колебаний сварочного инструмента εсв) на прочность Р и коэффициент вариации прочности Kv сварных соединений алюминиевой проволоки. А995Д диаметром 0,04 мм с алюминиевыми пленками толщиной 1 мкм, напыленными на окисленный кремний. Сварка проводилась на частоте 60 кГц инструментом с рабочим торцом шириной 90 мкм и поперечной канавкой.

Рис. 4.25. Зависимость прочности Р при испытании на отрыв и коэффициента вариации прочности Kv от параметров ультразвуковой сварки при соединении алюминиевой проволоки диаметром 40 мкм с пленкой алюминия δ = 1 мкм на окисленном кремнии. Режимы сварки: а –

мощность УЗ колебаний NЭ = 75·10–3 Вт; Р = 25·10–2 Н; б – NЭ = 75·10–3 Вт; η = 0,32 с; в – Р = 25·10–2 Н; η = 0,32 с

Контроль прочности соединений осуществлялся на отрыв проволоки под углом 90° к подложке. При испытаниях разрушение соединений происходит по проволоке вдали от зоны сварки (а), в месте наибольшей деформации проволоки (б), с отслаиванием проволоки от пленки (в) и с отрывом части соединения (г) принимая за оптимальные соединения со средней прочностью не ниже 0,12 Н (50 % прочности проволоки) при коэффициенте вариации Kv не более 20 % и при условии разрушения соединений только по виду (б), то из графиков можно установить зоны оптимальных режимов (А). Испытания данных соединений показали, что наиболее критичными параметрами для ультразвуковой сварки являются амплитуда колебаний и контактное усилие, а наименее критичным – длительность процесса.

Время микросварки и амплитуда колебаний инструмента (мощность генератора) подбираются, исходя из получения максимальной прочности соединений. При этом при испытаниях полученного соединения на механическую прочность разрушение соединений должно происходить по проволоке.

4.4.3. Сварка платиновой проволоки с пленкой платины

При монтаже внутренних соединений в специальных изделиях микроэлектроники используется платиновая проволока диаметром 0,03 – 0,05 мм. Уникальные физико-химические свойства – высокая коррозионная стойкость и каталитическая активность, стабильные электрические и термоэлектрические характеристики, высокие износоустойчивость и механические свойства при повышенных температурах – определяют традиционное применение платиновых металлов при изготовлении приборов и изделий специального назначения. Стабильность механических и электрических параметров обеспечиваются присоединением платиновой проволоки к контактным пло-

щадкам из платины. Так как платина имеет высокую температуру плавления, то оптимальным способом образования контактных микросоединений Рt – Pt является импульсная сварка «расщепленным» электродом.

Для получения максимальной механической прочности сварного соединения при импульсной сварке необходимо создать условия для обеспечения основных параметров процесса: сварочного напряжения, тока в электродах, усилия сжатия проволоки к пленочной металлизации и длительности сварочного импульса. Выбор оптимальных режимов монтажа микросоединений проводился на установке УСМ-1C с использованием сварочного электрода с рабочей частью из вольфрама. Деформация привариваемой проволоки (сварного контакта) определялась при помощи микроскопа МИМ-7 и фотографий сварных микросоединений, а механическая прочность контактов оценивалась на отрыв проволоки под углом 90° к подложке на установке УКПМ-1. Для исследования влияния параметров процесса сварки на механическую прочность микросоединений применялась платиновая проволока диаметром 0,05 мм, отожженная при различных температурах. Проволока присоединялась к платиновой пленке, которая напылялась на подложку из кварца на вакуумной установке с электронно-лучевым испарителем. Давление остаточной атмосферы в камере вакуумной установки при напылении пленок составляло 133·10–4 Па. Кварцевые пластинки при напылении подогревались до температуры 800 °С. После напыления пленок в течение 30 мин проводили отжиг образцов при той же температуре. Толщина пленок платины составляла 3 мкм. Для исследований качества микросоединений Pt – Рt на каждом режиме получали по 20 контактных соединений.

Зависимость прочности Р микросоединений от температуры отжига проволоки представлена на рис. 4.26. Анализ контактов при определении прочности микросо-

единений на отрыв выявил следующие виды разрушений (рис. 4.27): отрыв платиновой проволоки вместе с пленкой от подложки; отрыв по утоньшению проволоки в месте контакта; отрыв по проволоке.

Характер разрушений связан с физико-механическими свойствами платиновой проволоки. Как видно на рис. 4.26, максимальная прочность микросварных соединений наблюдается при сварке с использованием платиновой проволоки, отожженной при температуре около 600 °С, Неотожженная проволока и проволока с температурой отжига 200 и 400 °С достаточно жесткая, что приводит при сварке к нарушению адгезии платиновой пленки. Основным видом разрушений микросварных контактов, разваренных такой проволокой, является отрыв проволоки вместе с пленкой от подложки. При увеличении температуры отжига платиновой проволоки до 1000 и 1200 °С прочность микросоединений снижается, т. к. уменьшается механическая прочность самой проволоки. Разрушение микросварных соединений происходит по проволоке.

Рис. 4.26. Зависимость прочности Р микросоединений платиновая проволока – пленка платины от температуры отжига проволоки

Рис. 4.27. Гистограмма распределения видов разрушений микросоединений платиновая проволока – пленка платины в зависимости от температуры отжига проволоки

Для установления влияния давления сварочного электрода и напряжения, подаваемого на электрод (рис. 4.28, 4.29), на каждом режиме разваривалось по 20 образцов. Время сварки во всех случаях составляло 0,1 с. Наибольшая механическая прочность микросварных соединений Pt – Pt достигается при усилии сжатия электрода 16 МПа и напряжения 500 мВ. Дальнейшее увеличение усилия сжатия сварочного электрода нарушает адгезию платиновой пленки с подложкой. Повышение подачи напряжения на сварочный электрод приводит к прожогу металлизации и увеличению омического сопротивления контактов.

4.5. Номограмма для выбора режимов термокомпрессионной сварки и оценки качества микросоединений

В технологии производства ИЭТ для оптимизации режимов микросварки широко применяются методы планирования экспериментов и экспериментальный. При экспериментальном методе изменяется какой-либо параметр, а остальные, выбранные интуитивно, остаются неизменными. По результатам экспериментальных данных строятся номограммы, по которым осуществляется выбор оптимальных режимов монтажа микросоединений. Однако применение существующих номограмм на практике не дает полного анализа качества сформированных сварных соединений, т.к. не учитывает деформацию привариваемой проволоки и характер разрушения микросоединений при контроле их прочности.

Рис. 4.28. Влияние давления на сварочный электрод Q´, при сварке на прочность микросоединений проволока – пленка (при напряжении на электроде 460 мВ)

Для устранения вышеуказанных недостатков разработана номограмма процесса монтажа микросварных соединений, ко-

128

торая позволяет выбирать не только оптимальные режимы сварки, но и оценивать качество микросоединений, полученных на данных режимах.

Рис. 4.29. Зависимость прочности Ротр. микросоединений проволока – пленка от напряжения, подаваемого на сварочный электрод (при давлении на сварочный электрод 12 МПа)

На рис. 4.30 представлена номограмма процесса ТКС алюминиевой проволоки диаметром 0,027 мм к ва- куумно-осажденным пленкам алюминия толщиной 1,0 – 1,2 мкм на кристаллах и гальваническим пленкам золота толщиной 4 мкм на траверсах корпусов ИЭТ.

Испытания на прочность проводились путем разрушения микросоединений под углом 90° к поверхности подложки. При этом наблюдались следующие виды разрушений: обрыв по утоньшению проволоки в месте сварки, частичное или полное отслаивание проволоки от пленок. Определялись не только усилия отрыва проволоки от пленок алюминия и золота, но и деформация проволоки при сварке.

При построении номограммы для выбора режимов ТКС, удобной в практическом применении, установлена зависимость качества микросоединений от степени де-

129