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

3. Присоединение электродных выводов

Соединения в полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах должны удовлетворять следующим требованиям: прочность соединения должна быть близка к прочности соединяемых элементов микросхем; соединение должно иметь минимальное омическое сопротивление; основные параметры процесса соединения (температура нагрева, удельное давление и длительность выдержки) должно быть минимально возможными, с тем чтобы не повреждались элементы схемы; выполнять соединение материалов разнообразных сочетаний и типоразмеров; после соединения не должно оставаться материалов, вызывающих коррозию; качество соединений должно контролироваться простыми и надежными методами.

Методы присоединения электродных выводов разделяют на проволочные и беспроволочные. Для проволочного монтажа применяется проволока различного диаметра (0,005 – 0,15 мм) из алюминия, золота и меди. Беспроволочный монтаж осуществляется подсоединением кристаллов с жесткими выводами и компонентов с объемными выводами, сборкой на рамке, ленте или гибком носителе.

Наиболее широкое применение при монтаже проволочных выводов в полупроводниковых приборах и ИС нашли следующие методы монтажа: ультразвуковая сварка (УЗС), сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН), ультразвуковая сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКИН),

односторонняя контактная сварка, термокомпрессионная сварка и пайка. Внешний вид микросоединений, выполненных различными методами сварки, представлен на рис. 3.1.

3.1. Термокомпрессионная микросварка

Этот метод сварки давлением с подогревом используется для содинения в твердом состоянии металлов с металлами и полупроводниками при относительно невысоких удельных давлениях.

в) г)

Рис. 3.1. Внешний вид соединений, выполненных различными методами микросварки: а – ультразвуком; б – термокомпрессией внахлестку; в – термокомпрессией с образованием шарика; г – расщеплен-

При термокомпрессионной микросварке один из соединяемых материалов (обычно вывод) должен обладать достаточно высокой пластичностью. Металлы при этом способе монтажа нагреваются до температуры начала рекристаллизации (отжига) или несколько выше, но на 20 ºС ниже самой низкой температуры эвтектики системы.

При термокомпрессионной микросварке все материалы можно разделить на три группы:

1.Металлы с хорошей взаимной диффузией в твердом состоянии (Ag – Au, Au – Cu); они образуют ряд твердых растворов и обладают наилучшей свариваемостью.

2.Материалы, образующие между собой низко-

температурные эвтектики (Al – Si, Au – Si); они обладают удовлетворительной свариваемостью.

3. Металлы, взаимная диффузия которых приводит к образованию интерметаллических соединений и эвтектик (Au – Al, Au – Sn); при тщательном соблюдении технологии сборки они обеспечивают необходимое качество соединений.

На эффективность и качество микросварных соединений при термокомпрессионной сварке влияют оксидные пленки, находящиеся на поверхности контактных площадок кристаллов.

Основными режимами термокомпрессии являются:

–усилие сжатия соединяемых элементов;

–температура нагрева соединения;

–длительность выдержки под давлением. Давление при сварке определяется допусти-

мой деформацией проводника и допустимым механическим воздействием на полупроводниковый прибор (кристалл). Подвод тепла в зону сварки определяется

Подвод тепла в зону сварки определяется конструктивными особенностями прибора, подвергаемого сборке, и может осуществляться общим нагревом прибора, нагревом рабочего инструмента и одновременным нагревом рабочего инструмента и прибора (рис. 3.2). Время сварки (длительность выдержки под давлением) устанавливается зависимости от соединяемых материалов и определяется экспериментальным путем, исходя из получения заданной прочности соединений.

Все разновидности термокомпрессии классифицируют по трем признакам:

–по способу нагрева (рис. 3.2);

–по способу соединения (рис. 3.3);

–по типу образующегося соединения, обусловленного формой инструмента (рис. 3.4).

а) б) в)

Рис. 3.2. Разновидности термокомпрессии в зависимости от способа нагрева: а – нагрев только рабочего столика; б – нагрев рабочего инструмента; в – одновременный нагрев рабочего столика и инструмента; 1 – рабочий инструмент (пуансон); 2 – присоединяемый проводник; 3 – подложка или кристалл полупроводникового прибора; 4 – рабочий столик; 5 – спираль для нагрева

По способу выполнения соединений различают сварку внахлестку и встык (рис. 3.3). При сварке внахлестку проволочный вывод накладывают на металлизированную контактную площадку (при этом ось вывода располагают параллельно плоскости контактной площадка). При сварке встык конец проволочно-

42

го вывода (ось вывода перпендикулярна плоскости контактной площадки) предварительно оплавляют, образуя шарик с диаметром, равным удвоенному диаметру привариваемой проволоки. Прочность сварных соединений, выполненных встык, значительно выше прочности соединений внахлестку и равна, при оптимальных параметрах режима процесса сварки, прочности привариваемого проводника. Это объясняется отсутствием концентраторов напряжений и надрывов, вызываемых деформацией присоединяемой проволоки при сварке.

а) б)

Рис. 3.3. Конструкция сварных соединений внахлестку (а) и встык (б): 1 – подложка; 2 – пленка; 3 – проволочный вывод

Тип образующегося микросварного соединения зависит от формы инструмента (рис. 3.4). Наиболее высокой прочностью обладают соединения, выполненные по схеме (рис. 3.4, а). Размер торца рабочего инструмента должен быть не менее двух диаметров привариваемой проволоки.

43

а) б)

Рис. 3.4. Основные виды термокомпрессионых соединений: а – соединение встык (термокомпрессия капилляром с образованием шарика); б – сварка внахлестку инструментом с канавкой на торце

Метод соединения термокомпрессией в настоящее время является наиболее распространенным при монтаже полупроводниковых микроприборов, полученных методом планарной технологии, и монтаже твердых схем в разнообразных корпусах гибкими проволочными проводниками.

3.2. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН)

Этот метод является разновидностью способа сварки давлением с подогревом. Метод СКИН осуществляется

V-образным инструментом (пуансоном), импульсно нагреваемым проходящим по нему током (рис. 3.5). Способ применяется при монтаже гибридных интегральных схем, которые не допускают общего разо-

44

грева. Вследствие кратковременности процесса нагрева металлический проводник в месте контакта может нагреваться до более высоких температур, чем при термокомпрессии. Этим методом приваривают золотые, алюминиевые и медные проводники диаметром 0,02 – 0,1 мм с разнообразными пленками, напыленными на диэлектрические или полупроводниковые подложки.

Рис. 3.5. Схема сварки давлением с косвенным импульсным нагревом V-образным инструментом: 1 – рабочий столик; 2 – подложка; 3 – проводник; 4 – инструмент; 5 – сварочная головка для создания давлением; 6

–источник питания; 7 – реле времени

3.3.Ультразвуковая микросварка

При этом методе соединение металлов в твердом состоянии осуществляется за счет возбуждения в свариваемых деталях упругих коле-

45