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

вывода и кристалла при микропайке и окружающей

средой, ºС; 1 и 2 – коэффициенты термического расширения материалов паучкового вывода и кристалла соответствен-

но, 1/ºС;

Е – модуль упругости материала паучкового вывода, кг/мм2.

Рис. 3.13. Зависимость х от прогиба y: 1 – при h = 0,02 мм и l = 3 мм; 2 – при h = 0,02 мм и l = 2 мм;

3 – при h = 0,02 мм и l = 1,5 мм; 4 – при h = 0,08 мм и l

= 1,5 мм; 5 – при h = 0,02 мм и l = 1 мм; 6 – при h = 0,04 мм и l

= 1 мм; 7 – кривая, разграничивающая области упругих и пластических деформаций для кривых 1, 2, 3 и 5

при h = 0,02 мм

Напряжения сдвига в зависимости от прогиба, длины и толщины выводов приведены на рис. 3.13. Для практического использования расчетов следует ввести ограничения по максимально возможным упругим деформациям. Пунктирная линия (рис. 3.13) разграничивает области упругих и пластических деформаций для толщины вывода h = 0,02 мм. При длине паучкового вывода в 1 мм (рис. 3.13) снизить термомеханические напряжения до нуля за счет упругих деформаций не удается. Поэтому по кривым зависимости целесообразно определять оптимальную длину паучкового вывода.

Используя данную методику определения оптимальных размеров паучковых выводов, получаем надежные микросоединения при групповом монтаже ИС.

3.7. Лучевые методы сварки и пайки

Технологические операции в производстве приборов микроэлектроники, осуществляемые с помощью лазеров, основаны на поглощении лазерного излучения веществом, т. е. на тепловом воздействии света на непрозрачные среды. Световой поток лазерного излучения, направленный на поверхность обрабатываемого материала частично отражается от нее, а частично проходит в глубь тела. Излучение, проникающее в глубь ме-

талла, практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной 0,1 – 1,0 мкм.

Проникновение излучения Е(х) в материалы

описывается уравнением

Е(х) = Е0(1 – R)e–αх

где E0 – энергия, падающая на поверхность; R – коэффициент отражения поверхности; α – коэффициент поглощения.

Для обеспечения эффективного плавления металла длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени для данно-

го металла, приближенно определяемой по формуле

η = δ2/4α,

где = /(c ) – коэффициент температуропроводимости.

0,2 мм) сопоставимы с длительностью импульсов лазеров в режиме свободной генерации, составляющей порядка нескольких миллисекунд. В следствие этого лазерная сварка металлов наиболее эффективна для данных толщин.

Оптимальные режимы лазерной обработки позволяют в полной мере использовать основные достоинства процесса – высокую степень концентрации энергии и

максимальную эффективность ее использования.

В настоящее время применение лазеров в технологии приборов микроэлектроники связаны со следующими операциями: сварка, сверление, резка, скрайбирование, подгонка радиоэлементов, отжиг,

56

перекристаллизация, осаждение слоев и другие. Серийно выпускаемые лазеры используются в таких сверхточных операциях, как программирование логических матриц, лазерная литография, восстановление ИЭТ.

3.7.1. Сварка лазерным излучением

Лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии, значительно превосходящую другие источники энергии, используемые для сварки. Процесс лазерной сварки осуществляется на воздух либо в среде защитных газов: Ar, He, CO2 и др. С помощью лазеров хорошо свариваются сплавы на основе титана и никеля. Благодаря устойчивости никелевых сплавов к окислению сварка проводится при минимальной подаче инертного защитного газа.

Точечная сварка, проводимая неподвижным импульсным лазером, является эффективным способом присоединения проводов к электрическим контактам, сваривания термопар и соединения разнородных металлов и сплавов. Для сварки ИЭТ широко используются отечественные сварочные установки «Латус-31», «Квант-

30», «Квант-41», «Квант-18» и др.

Лазерная сварочная установка «Латус-31» с компактным конвективным лазером на углекислом газе выходной мощностью 1,5 кВт предназначена для точечной шовной сварки металлов с толщиной кромок 0,2 – 1,0 мм в защитной газо-

57

вой среде.

На установке «Квант-30» возможна прецизионная микросварка элементов ИС, полупроводниковых и других миниатюрных изделий.

Установка «Квант-41» предназначена для шовной сварки со скоростью 0,5 м/мин при глубине проплавления 0,5 мм и 1 м/мин при 0,2 – 0,3 мм, а «Квант-18» – с проплавлением 1,5 – 2 мм (по ковару).

Для герметизации особо трудносвариваемых алюминиевых корпусов микроэлектронных приборов также можно применять установки лазерной сварки. При глубине проплавления 1,02 мм скорость сварки составляет 5,08 мм/мин. Таким образом, алюминиевый корпус размером 76,2 76,2 мм сваривается в течение 36 с.

3.7.2. Лазерная пайка

Лазерная пайка имеет следующие особенности:

–высокую скорость нагрева обрабатываемых де-

талей;

–точное дозирование энергии;

–нагрев труднодоступных участков обрабатываемых деталей;

–пайку в изолированном объеме и строго контролируемой среде;

–совмещение процессов пайки с другими технологическими процессами (очисткой поверхности изменением ее химического состава и др.);

–возможность автоматизации пайки.

Схемы вариантов пайки ИЭТ приведены на

рис. 3.14.

Для данных разновидностей пайки длина волны излучения = 1,06 мкм. Мощность и параметры излучения подбираются опытным путем, исходя из заданного качества паяных соединений.

Рис. 3.14. Примеры пайки лазерным излучением:

а – электрического проводника к поверхности; б

– электродный фольги к выводу электролитического конденсатора; в – соединение «трубка – лента»; г – резистора к контактным площадкам; д – электрического проводника к тонкопленочной системе; е – вывода ИМС к проводнику;

1 – флюс; 2 – припой; 3 – проводник; 4 – подложка; 5

– вывод конденсатора; 6 – трубка; 7 – резистор; 8 – вывод резистора; 9 – контактная площадка; 10 – пленка; 11 – вывод ИМС; 12 – печатная плата

Луч лазера может использоваться для пайки электрорадиоэлементов на печатные платы. Схема такого монтажа представлена на рис. 3.15. Микросхема 4 в корпусе планарными выводами 3 устанавливается на контактные площадки из стеклотекстолита. Предварительно выводы 3 микросхемы облуживают, отформовывают и опрессовывают припоем 2. При необходимости на места паек наносят дозированное количество флюса. Диаметр луча лазера 5 на плате устанавливают равным размеру контактной площадки. Под действием энергии излучения происходит разогрев и расплавление припоя с образованием в процессе кристаллизации паянного соединения. Непрерывное перемещение печатной платы со скоростью 8 мм/с обеспечивает производительность процесса монтажа 400 – 440 паек/мин

59

Рис. 3.15. Схема пайки микросхемы в корпусе на печатную плату лазером: 1 – контактные площадки; 2 – припой; 3 – выводы микросхемы; 4 – микросхема; 5 – луч лазера

3.7.3. Сварка и пайка энергией лучей оптического диапазона

Наиболее удобным излучателем для технологических целей являются дуговые неоновые лампы сверхвысокого давления. Дуговая неоновая лампа представляет собой шаровой баллон из оптически прозрачного кварца с помещенными в него двумя вольфрамовыми электродами. Излучение неоновой лампы фокусируется на изделие с помощью эллипсоидного отражателя. Для уве-

60