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

Рис. 3.6. Ультразвуковые колебательные системы для микросварки: 1 – преобразователь; 2 – волноводконцентратор; 3 – акустическая развязка; 4 – сварочный инструмент. А – амплитуда колебаний; Р – усилие сжатия; М – момент силы

47

Рис. 3.7. Схемы односторонней контактной сварки: а – односторонняя точечная сварка: 1 – электрод для сжатия свариваемых деталей и подвода тока к проволоке; 2 – электрод для подвода тока к шине печатной платы; 3 – контактная площадка или шина печатной платы; 4 – диэлектрическое основание печатной платы; 5 – привариваемая проволока или лента; б и в – односторонняя сварка соответственно сдвоенным электродом (с параллельными зазорами) и строенным электродом трехфазным (1 – электроды; 2 – привариваемый проводник; 3 – тонкая металлическая пленка; 4 – диэлектрическая подложка)

3.5. Пайка электродных выводов

Пайкой присоединяют электродные выводы мощных полупроводниковых приборов – транзисторов, выпрямителей, туннельных и СВЧ диодов, а также модулей. Пайку выполняют низкотемпературными припоями на основе олова, свинца и индия в печах непрерывного или периодического действия в атмосфере защитного газа или на воздухе. Пайку можно производить нагревом (прямым и косвенным) электрическим током или паяльником (электрическим, газовым). Перед пайкой детали необходимо тщательно очищать.

В производстве находит применение кассетная сборка мощных транзисторов в защитной

48

а) б)

Рис. 3.9. Монтаж перевернутого кристалла: а – с выступами; б – с шариками; 1 – кристалл; 2 – выступы; 3 – плата; 4 – алюминиевая металлизация; 5 – пленка

диоксида кремния; 6 – слои хрома; 7, 10 – припой; 8 – медный шарик; 9 – слой никеля

Контактные выступы на кристаллах могут быть изготовлены из припоя, а также гальваническим осаждением алюминия или золота. В случае получения выступов гальваническим осаждением кристаллы присоединяются термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой.

В некоторых случаях в качестве выступов используют медные шарики (рис. 3.9, б). Для этого в кремниевом кристалле 1 на контактных площадках, покрытых пленкой 5, изготовляют окна, в которые осаждают слой хрома 6. Затем на этот слой наносят оловянистый припой 7 и укладывают медный никелированный шарик 8, который закрепляют оплавлением мягкого припоя 10. Совмещая такой выступ с контактной площадкой платы 3, при определенной

50

температуре и давлении на кристалл происходит пайка, обеспечивающая надежное соединение.

В производстве полупроводниковых приборов и ИС используют также монтаж кристаллов с балочными выводами (рис. 3.10). Балочные выводы представляют собой металлические полоски толщиной 10 – 40 мкм, шириной 50 –100, длиной 250 – 400 мкм, которые выступают за края кристалла подобно консольной балке.

Рис. 3.10. Монтаж кристаллов с балочными выводами: 1 – балочные выводы; 2 – кристалл; 3

– слой металлизации; 4 – плата

Кристалл 2 с балочными выводами 1 присоединяют к слою металлизации 3 на плате 4 термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой. При монтаже кристаллов к плате приваривают только наружные части балок. Это предохраняет кристалл от разрушения и компенсирует напряжения, возникающие при сварке.

Развитие микроэлектроники привело к необходимости разработки и производства сверхбольших (СБИС) и сверхскоростных (ССИС) ин-

51

тегральных микросхем. Помимо роста степени интеграции, функциональной сложности, быстродействия и размеров кристалла резко возрастает число входных/выходных контактных площадок в данных схемах.

С увеличением числа выводов и размеров кристалла значительно увеличиваются габариты корпусов и длина межсоединений, а вследствие этого, значения сопротивлений, индуктивностей и емкостей.

Поэтому, методы сборки многовыводных СБИС в металлокерамические (пластмассовые) корпуса с помощью термокомпрессионной или ультразвуковой сварки проволочных выводов имеют ряд принципиальных ограничений дальнейшего развития.

Одним из последних достижений в области сборки ИС является метод паучкового крепления выводов. В производстве наибольшее распространение получили следующие схемы присоединения паучковых выводов к кристаллу: ультразвуковая групповая сварка, микропайка с косвенным подогревом без инструмента (рис. 3.11) и термоимпульсная микропайка

(рис. 3.12).

Рис. 3.11. Схема микропайки с косвенным подогревом: 1 – рамка с выводами; 2 – нагреватель; 3 – присоска; 4 – кристалл; 5 – контакт шариковый

При ультразвуковой групповой сварке кристалл удерживается в ориентированном положении вакуумной присоской, совмещение выводов с контактными площадками кристалла производится при помощи оптической системы, сварка осуществляется контурным инструментом за счет ультразвуковых колебаний.

При микропайке с косвенным подогревом после совмещения паучковых выводов 1 с шариковыми контактами 5 кристалла 4 вакуумная присоска 3 перемещается вверх, деформируя выводы на величину "У". За счет упругой деформации выводов возникающая сила стремится прижать их к шариковым контактам на кристалле. Включая нагревательный элемент 2, в местах соприкосновения выводов можно достичь температуры расплавления припоя. После остывания в местах контакта образуется спай.

При проектировании оборудования по данной схеме необходимо знать оптимальную деформацию паучковых выводов, которые должны создавать достаточное усилие на шариковые выводы в процессе микропайки.

Рис. 3.12. Схема термоимпульсной микропайки: 1 – инструмент; 2 – паучковый вывод; 3 – диэлектрическая пленка; 4 – шариковый контакт; 5 – кристалл; 6 – клей; 7 – подложка

При термоимпульсной микропайке паучковые выводы 2 (рис. 3.12), закрепленные на диэлектрической пленке 3, совмещаются с шариковыми контактами4 на кристалле 5. Инструмент 1 опускается, прижимая паучковые выводы к шариковым контактам. Через инструмент пропускается импульс тока. Тепло передается в места контакта, нагревая их до температуры пайки. Слой клеящего вещества 6, удерживающий кристаллы на подложке 7 в ориентированном положении, расплавляется, и при поднятии инструмента кристалл, припаянный к паучковым выводам, отрывается от подложки за счет силы, вызванной предварительной упругой деформацией паучковых выводов. Силы сцепления кристалла с клеящим веще-

53

ством и подложкой должны быть меньше этой силы.

При проектировании оборудования по одной из рассмотренных схем присоединения необходимо рассчитывать оптимальные упругие деформации паучковых выводов и усилия, обусловленные этими деформациями. Знание этих величин позволит правильно выбирать материал и конструкцию паучковых выводов.

При групповом монтаже паучковых выводов к шариковым контактам кристаллов ИС из-за различных коэффициентов термического расширения выводов, кристалла и подложки в собранном узле возникают значительные термомеханические напряжения. Их величина зависит от соединяемых материалов, геометрических размеров и температуры процесса микропайки. Компенсировать термомеханические напряжения можно путем создания предварительных упругих деформаций паучковых выводов.

Для определения напряжения сдвига в направлении длины выводов получено выражение

где у – величина прогиба паучкового вывода, мм; h – паучкового вывода в месте микропайки, мм; l

– длина паучкового вывода от защемления до центра шарикового контакта, мм; r – радиус шарикового контакта, мм; х - расстояние от центра шарикового контакта до центра кристалла ИС, мм; Т1 и Т2 – разность температур паучкового

54