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

площади спая. Пустоты, образующиеся за счет газов, не успевающих выйти сквозь блокирующий их припой в процессе пайки, ведут к неоднородностям зоны сплавления и, следовательно, к ухудшению электрических характеристик схемы. Для увеличения площади заполнения припоем зоны соединения применяют следующие способы: ультразвуковую пайку, приложение к одной из соединяемых деталей колебаний заданной частоты, пайку в вакууме и др.

Для получения качественных соединений необходимо особое внимание уделять деформациям и напряжениям, которые возникают при нагреве системы плата – основание из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) соединяемых элементов. Внутренние напряжения могут быть растягивающими или сжимающими в зависимости от соотношения ТКЛР. По литературным данным эти напряжения имеют максимальные значения на контактных поверхностях присоединительного слоя.

Для снижения остаточных напряжений в паяном шве и увеличения площади спая между соединяемыми деталями размещались отрезки проволоки или кольца в виде граверных шайб из облуженной меди или стальной проволоки диаметром 0,15 мм, а также медная облуженная сетка.

Исследования, проведенные авторами настоящей работы показали, что наиболее перспективным способом пайки, позволяющим не только повысить площадь спая, но и снизить внутренние напряжения в паяном шве, является размещение между платой и основанием тонкой медной сетки. Схема сборки СВЧ-

микрополосковых плат с основанием через медную сетку показана на рис. 2.5.

При использовании в качестве прокладки медной сетки ее предварительно облуживают в ванне с расплавленным припоем при равномерном заполнении ячеек сетки, а затем прокатывают до толщины 0,15 – 0,2 мм. Сетка устанавливается на облуженную и зафлюсованную поверхность основания, затем на нее накладывается фольга припоя толщиной 30 – 50 мкм и облуженная и зафлюсованная СВЧ-плата. Собранная таким образом конструкция, помещается в камеру вакуумной установки и производится цикл пайки.

Рис. 2.5. Схема сборки СВЧ микрополосковых плат с основанием через медную сетку: 1 –

плата; 2 – Сr (600 Å); 3 – медь вакуумная (1 – 2 мкм); 4 – медь гальваническая (6 мкм); 5 – пленка золота (3 мкм); 6 – припой; 7 – медная облуженная сетка; 8 – основание

В качестве переходных оснований использовались материалы Д16М-6 с покрытием Хим Н9.МЗ.М- 09 (белая бронза), ВТ1-0-6 с покрытием Хим Н3.МЗ.М-09, а также переходные основания с серебряным покрытием Хим Н3.МЗ.Ср.9.

Основной целью при отработке технологического процесса пайки платы на переходное основание является получение максимального по площади спая. Для монтажа данных изделий выбран способ пайки в вакууме с использованием ИК-нагрева.

Эксперименты показали, что паяные соединения с применением медной сетки обеспечивают высокую надежность и качество получаемых швов. При использовании медной сетки как с предварительной прокаткой, так и без прокатки наблюдается хорошее заполнение припоем ячеек сетки. В то же время следует отметить, что после испытания образцов на термоциклирование (100 термоциклов) при температуре от минус 60 до 120 ºС вокруг медных проволочек наблюдается сплошной слой интерметаллических соединений меди с припоем (рис. 2.6).

35

Рис. 2.6. Поперечное сечение паяного соединения СВЧ микрополосковой платы с основанием (медная сетка без прокатки, облуженная припоем ПОИн52). Увеличение 120Х

Рис. 2.7. Поперечные сечения паяного соединения СВЧ микрополосковой платы с основанием (медная сетка с прокаткой, облуженная припоем ПОИн52). Увеличение 120Х

Результаты испытаний показали, что наиболее надежными соединениями, выдержавшими все виды испытаний, являются соединения, в которых материалы основания и платы согласованы по ТКР (титан – поликор). Если ТКР соединяемых материалов платы и основания не соответствуют друг другу, наилучшие результаты

36

получены при использовании в качестве прокладки, задающей толщину паяного шва, медной облуженной сетки. Микроструктурный анализ поперечных сечений паяных швов в этих случаях показал хорошее заполнение припоем ячеек сетки (рис. 2.7).

2.5. Контроль качества пайки кристаллов к корпусам

Операции монтажа кристаллов и подложек в корпуса относятся к наиболее важным и ответственным в технологическом процессе сборки. Зона присоединения кристалла к корпусу является существенным источником возникновения отказов ИЭТ.

Известно, что из наиболее существенных причин отказов мощных полупроводниковых приборов – повышение теплового сопротивления кристалл – термокомпенсатор или кристалл – корпус, приводящее к выходу приборов из строя вследствие теплового пробоя. Повышение теплового сопротивления кристалла

– корпус обусловлено, в основном, низким качеством присоединения кристалла. Участки локального повышения температуры кристалла могут привести к отказу, так как развитие теплового прибоя способствует ускорению протекания диффузионных процессов на границе раздела металлическая пленка – полупроводник и электромиграции в тонких металлических пленках.

Основным требованием к процессу пайки кристаллов маломощных транзисторов и ИС является обеспечение достаточной механической прочности

присоединения кристалла к корпусу и горизонтальности лицевой стороны кристалла (параллельности ее поверхности ножки). Для мощных транзисторов качество этого процесса определяется еще и площадью образования неразъемного соединения металл – полупроводник.

Качество паяных соединений контролируют различными методами. Так, качество монтажа кристаллов пайкой проверяют с помощью холестерических жидких кристаллов – веществ, изменяющих свой цвет под действием температуры. Чувствительность этого метода очень высока и составляет до тысячных долей градуса. Для этого жидкие кристаллы наносят на исследуемую поверхность, затем подают напряжение и наблюдают через микроскоп, изменяется ли цвет жидких кристаллов (тепловое поле). Участки изменения цвета соответствуют расположению дефектов монтажа полупроводникового кристалла. После испытания жидкий кристалл удаляется с поверхности – стирается или прополаскивается в этиловом спирте.

Обнаружение дефектов монтажа кристаллов пайкой возможно с помощью инфракрасного (ИК) излучения. Контроль с помощью ИК-лучей основан на зависимости спектральной полосы и длины волны максимума излучения от температуры и лучеиспускательной способности поверхности тела. Направляя на исследуемую поверхность радиометр, можно на телевизионном экране наблюдать термограмму. Характер дефек-

тов и место их расположения определяют сравнением термограммы с эталонной.

При изготовлении мощных приборов качество монтажа кристаллов проверяют, измеряя тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом и сравнивая его с тепловым сопротивлением эталонного образца. Разница значений более 20 % свидетельствует о низком качестве пайки (наличие воздушных прослоек, оксидных пленок, непропаи и т. п.).

Параметры технологических режимов монтажа кристаллов эвтектической пайкой и методы их контроля приведены в табл. 2.2, а основные виды дефектов и причины их возникновения – в табл. 2.3.

Таблица 2.2 Контроль параметров технологических режимов мон-

тажа кристаллов эвтектической пайкой

Таблица 2.3 Основные дефекты и причины их возникновения при монтаже кристаллов эвтектической пайкой