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

формации проволоки, сжимающего усилия при сварке, и температуры.

Рис. 4.30. Номограмма для выбора режимов ТКС и оценки качества микросоединений: – отслоение; – обрыв проволоки в зоне сварки; – смешанный характер разрушения

Степень деформации проволоки ε заданного диаметра d оценивалась по ширине сварной тючки B по известной методике. Удельное давление инструмента Q´ в конце процесса деформирования (отношение усилия сжатия Q к площади контактирования SК) при длине торца инструмента L определяется по формуле

Q´ = Q/SК = Q/BL

По оси абсцисс откладывались значения B от 50 до 85 мкм и вычисленные деформации ε (соответственно от 57 до 75 %). Задаваясь усилиями Q от 0,6 до 2,2 Н с интервалом 0,2 Н и определив деформацию B, на ось ординат наносились

130

полученные значения удельных давлений Q´. Температура ТКС изменялась в интервале от 280 до 380 °С. Длина торца сварочного инструмента L во всех случаях составляла 80 мкм.

Установлено, что наиболее критичным параметром при термокомпрессионной микросварке является температура, а изменение давления при постоянной температуре допустимо в более широких пределах. Следовательно, эти факторы необходимо учитывать при разработке оборудования для ТКС проволочных выводов в полупроводниковых приборах и ИС.

Разработанная номограмма процесса монтажа микро соединений ИЭТ позволяет выбирать не только оптимальные режимы сборочных процессов, но и анализировать качество микросоединений в широком интервале исследуемых параметров.

131

5. Сборка силовых полупроводниковых приборов

Возросший уровень цен на энергоносители и резкое увеличение энергоемкости внутреннего валового продукта активизировали разработку и производство изделий силовой энергосберегающей бытовой и промышленной аппаратуры.

Силовые полупроводниковые приборы в составе модулей обеспечивают коммутацию токов свыше 1000 А и напряжений до 5,5 кВ, при этом размеры чипов достигают площади 2,6 см2

(16 мм 16 мм).

Все это предъявляет повышенные требования к технологии производства, особенно к монтажносборочным операциям в силовых полупроводниковых приборах (СПП).

Известно, что надежность полупроводниковых ИЭТ в значительной степени зависит от качества контактных соединений. Одной из наиболее распространенных причин отказов изделий радиоэлектронной аппаратуры является нарушение соединений кристалла с корпусом и проволоки с контактными площадками кристалла и корпуса. В тоже время сборочные операции являются наиболее трудоемкими. Например, из общей стоимости изготовления интегральных схем на монтажносборочные работы приходится около 65 % затрат. Поэтому вопросы совершенствования технологии сборки остаются в центре внимания разработчиков и изготовителей полупроводниковых изделий микроэлектроники.

Качество и надежность любого изделия закладываются при конструировании, обеспечиваются технологическим процессом изготовления и должны сохраняться при эксплуатации.

Одним из методов контроля правильности выбора конструкции или технологического процесса изготовления полупроводниковых изделий является определение теплового сопротивления приборов. Перегрев кристалла изменяет электрические характеристики прибора и снижает его надежность.

132

Тепловой расчет температуры перегрева кристаллов проводят на этапе проектирования изделий. Требования к тепловому режиму необходимо учитывать при выборе материалов корпуса и подложки, а также конструкции изделий.

При решении вопроса о надежности соединений наряду с выбором оптимальных способов и режимов присоединения кристалла к основанию корпуса и внутренних выводов к кристаллу и траверсам корпуса, необходимо учитывать качество металлизации контактных площадок, присоединяемой проволоки, материала и конструкции сварочного инструмента.

5.1. Покрытия контактных поверхностей кристаллов и корпусов полупроводниковых ИЭТ

К покрытиям контактных поверхностей кристаллов и корпусов для пайки ИЭТ предъявляются следующие требования: они должны обеспечивать хорошую паяемость (не менее 95 % площади кристалла), а также сохранять способность к пайке при заданном сроке хранения, обеспечивать антикоррозионную защиту, не подвергаться иглообразованию при хранении и разрушению при различных температурах.

В данной главе проанализированы покрытия, которые наиболее широко применяются на контактных поверхностях кристаллов и корпусов для пайки ИЭТ и могут быть использованы в производстве СПП.

Золотое покрытие. Гальванические покрытия ИЭТ из чистого золота (99,9 %) обладают комплексом положительных свойств: высокой

133

электропроводностью, низким контактным сопротивлением, хорошей смачиваемостью припоями, высокой коррозионной стойкостью, способностью к диффузионной сварке и др. Однако золотые покрытия имеют существенные недостатки: значительную пористость в покрытиях (особенно в тонких слоях); ослабление соединений при пайке вследствие растворения покрытий в припое; диффузию подслоя меди в покрытие. С целью устранения этих недостатков и снижения себестоимости производства ИЭТ золотые покрытия заменяются сплавами, имеющими свойства золота.

В электронной промышленности используются следующие сплавы на основе золота: золото – никель, золото – кобальт, золото – серебро, золото – медь, золото – кадмий. Из данных сплавов наиболее подробно исследованы сплавы золото – никель и золото – кобальт.

Наиболее перспективным сплавом является золото – кадмий, который имеет высокую износостойкость, паяемость, низкое контактное сопротивление, незначительно изменяется при старении. Наиболее важным преимуществом данного сплава по сравнению с другими является его способность выдерживать повышенные температуры в течение 1000 ч без изменения контактного сопротивления.

Адгезионная прочность золотых покрытий с никель – бор основой зависит от термообработки. При химической металлизации золотом ИЭТ с нанесенным покрытием из сплава никель – бор для увеличения адгезии золота с основой целесообразно прово-

134

дить термообработку при температуре 500 ± 20

°С.

Для улучшения паяемости корпуса ИС покрывают предварительно пленками химического или электрохимического никеля, а затем золотом (соответственно 6 – 9 и 2 – 6 км).

Увеличение среднего размера зерна, количества пор и концентрации примесей в никелевом покрытии приводят к снижению смачиваемости золотого покрытия припоем при пайке кристаллов и уменьшению площади физического контакта при ультразвуковой сварке проволочных выводов.

В связи с дефицитом драгметаллов проводятся мероприятия, направленные на сокращение использования золота, но при этом обязательным условием является сохранение качества и надежности приборов. Работы в направлении экономии золота можно разделить на три группы:

–минимизацию толщины гальванических покрытий путем совершенствования электролиза;

–применение способов локального или локально дифференцированного покрытия, позволяющих получать необходимую толщину золота только на функциональных участках корпусов;

–замену золотого покрытия другими недефицитными металлами.

Первый метод позволяет получить лишь незначительный эффект, так как толщина золотого покрытия уже минимизирована в большей части

135

конструкций ИЭТ. Второй метод также широко реализуется во многих приборах, поэтому основное внимание исследователей должно быть направлено на полную замену золота в конструкциях приборов. Тем более, что приборы с золотым покрытием обладают пониженной радиационной стойкостью.

Оловянное покрытие. В производстве некоторых типов полупроводниковых ИЭТ применяются оловянные покрытия, так как олово обладает химической устойчивостью и инертностью, а также высокой способностью к пайке. В то же время следует отметить, что при воздействии низкой температуры возможно превращение β-олова, кристаллизующегося в тетрагональной системе и имеющего плотность 7,29 г/см3,

вα-олово, имеющее кубическую решетку с плотностью 5,77 г/см3. Данное превращение сопровождается изменением объема и переходом контактного металла

впорошкообразное состояние, которое называют «оловянной чумой». Кроме того, при хранении деталей и изделий, покрытых оловом, способность к пайке существенно снижается, что вызывает определенные трудности при сборке изделий на поточных линиях. Особо важно отметить, что даже белая модификация олова после двухлетнего хранения на 60 % теряет прочность спая. Покрытия из чистого олова обладают склонностью к образованию на поверхности нитевидных кристаллов (усов), что ограничивает их применение для сборки полупроводниковых ИЭТ.

Сцелью устранения недостатков, присущих оловянным покрытиям, проводят электрохимическое легирование олова другими металлами (никелем, вис-

мутом, цинком, кобальтом, сурьмой и др.). Эти сплавы лишены недостатков, которыми обладает чистое олово, а кроме того, имеют определенные преимущества: сохраняется паяемость, повышенная коррозионная стойкость и другие специальные свойства.

Олово и его сплавы осаждаются в виде блестящих электролитических покрытий только в том случае, если в раствор при электролизе вводят специальные поверхностно-активные или коллоидные добавки, называемые блескообразующими. Органические соединения, добавляемые в электролиты, повышают катодную поляризацию, сближают потенциалы осаждаемых металлов, улучшают мелкокристалличность покрытия, его паяемость, увеличивают блеск и рассеивающую способность, повышают качество покрытия и стабильность работы электролита.

Покрытие сплавом олово – свинец. Сплавы олово – свинец, в отличие от чистого олова, сохраняют способность к пайке более длительное время. Данные покрытия не образуют при хранении нитевидных кристаллов, наблюдаемых на оловянных покрытиях.

Покрытия сплавом олово – свинец получают электрохимическим или горячим способом. Сплавы, осаждаемые электрохимическим способом, характеризуются химической неустойчивостью кристаллитов свинца и олова в неоплавленных покрытиях в течение длительного времени. Поэтому, если возможно по конструктивным со-

ображениям, то применяют горячий способ нанесения покрытия (из расплавленного припоя) вместо электрохимического. Горячий способ является экономически более выгодным и, кроме этого, обеспечивает самое высокое качество паяных соединений.

Гальваническое покрытие сплавом олово – свинец (на печатных платах из фольгированного диэлектрика) имеет значительную шероховатость и пористость. В поверхностном слое такого покрытия содержится преимущественно олово. Однако при оплавлении покрытия ИК излучением с использованием флюса ФКТ происходит его уплотнение и уменьшение шероховатости, при этом состав поверхностного слоя выравнивается и приближается к эвтектическому (63 % олова и 37 % свинца). Следует отметить, что после оплавления с использованием флюса ФКТ изменяется профиль покрытия, оно стягивается к середине печатных элементов и становится тоньше на краях. А использование при оплавлении флюса ВФ130 приводит к отсутствию стягивания покрытия к середине печатных элементов, и покрытие имеет одинаковую толщину на всей площади контактной площадки.

Одной из основных причин плохой паяемости покрытия олово – свинец является наличие более 0,1 г/л примеси меди в электролите. Для устранения данного дефекта необходимо рассмотреть электролит при плотности тока 0,3 – 0,4 А/дм2.

Олово – висмутовое покрытие. Покрытие спла-

вом олово – висмут характеризуется хорошей адгезией к меди и ее сплавам, легкой паяемостью и сохра-

нением способности к пайке в течение длительного времени. При электролизе возможно получение покрытия темно-серого цвета, которое характеризуется плохой паяемостью. Основной причиной данного дефекта, как и в покрытии олово – свинец, является наличие примесей меди в электролите.

Добавка висмута (0,3 – 3,8 %) предотвращает переход белой модификации олова в серую, существенно уменьшает образование нитевидных кристаллов на поверхности покрытия. Однако получение сплава олово – висмут сопряжено с определенными трудностями, связанными с нестабильностью электролита, так как соли висмута, входящие в состав электролита, подвергаются гидролизу. Результатом этого является разложение электролита, что требует частой его смены. Следует также отметить, что соли висмута являются дефицитными, а металлический висмут токсичен. Кроме того, такие покрытия теряют паяемость после 12 мес. хранения и не паяются с применением канифольных флюсов.

Серебряное покрытие. В полупроводнико-

вой микроэлектронике серебрение используется для создания функциональных покрытий с высокой электропроводностью и стабильной величиной переходного сопротивления в местах контактов. В некоторых изделиях серебро используется в качестве конечного покрытия коллекторной стороны кристалла. В этом случае осуществляется напыление пленки на пластины с кри-