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

4. Влияние конструктивно-технологических факторов на качество микросоединений

Надежность ИЭТ тесно связана с технологией производства и в особенности с операциями получения контактных соединений. Одной из наиболее распространенных причин отказов, связанных с процессом производства, является нарушение микросоединений кристалла с корпусом и проволоки с контактными площадками кристалла и корпуса.

Развитие технологии производства ИС осуществляется в направлении уменьшения размеров приборов и увеличения плотности упаковки, что вызывает необходимость уменьшения ширины металлических пленок, используемых в качестве межсоединений. Однако от ширины пленочной металлизации зависит среднее время наработки на отказ, обусловленное электродиффузией. С уменьшением ширины пленок снижается и среднее время наработки до отказа приборов. В процессе эксплуатации полупроводниковых ИЭТ имеют место отказы, связанные с деградацией микросварных соединений внутренних выводов.

Поэтому при разработке новых приборов, а также при оценке работоспособности существующих конструкций необходимо учитывать влияние условий изготовления и эксплуатации на структуру и свойства микроконтактов, особенно в случае наличия биметаллических пар. Электрическая и механическая стабильность биметаллических пар во многом определяется интерметаллическими соединениями, образующимися за счет взаимной диффузии различных металлов при повышенной температуре.

Следует отметить, что широкое внедрение автоматизированного оборудования и новых методов сборки сдерживается из-за недостаточной изученности конструктивнотехнологических факторов, влияющих на прочность и надежность микросоединений и снижающих производительность сборочного оборудования. На качество микросоединений оказывают влияние такие параметры, как толщина пленок, со-

62

стояние поверхности, структура и адгезия пленки с подложкой, известно, что проволока микронных размеров имеет нестабильность геометрических размеров и механических свойств; это является одной из причин низкой воспроизводимости качества внутренних микросоединений.

Вопросы дальнейшей разработки оборудования и технологии сборки остаются в центре внимания разработчиков и изготовителей современных полупроводниковых ИЭТ. Повышение производительности и надежности сборки самым тесным образом связано с совершенствованием микросварочного инструмента. Современные высокопроизводительные сборочные автоматы требуют оснащения износостойким, дешевым и надежным инструментом. Исследования по проблемам надежности, особенно проволочных соединений указывают на зависимость качества соединений от конструкции и материала микросварочного инструмента.

4.1. Инструмент для сварки и пайки внутренних микро соединений

К микросварочному инструменту предъявляются следующие основные требования:

–обеспечение концентрации энергии в зоне сварки;

–возможность визуального контроля процесса сборки прибора;

–высокая механическая прочность;

–высокая износостойкость;

–удобство в эксплуатации.

Каждый способ монтажа предъявляет к рабочему инструменту свои требования в зависимости от соединяемых материалов. При термокомпрессионной и ультразвуковой сварке широко применяются капилляры с центральным или боковым отверстием. Рабочий торец может быть с плоской, поперечной или фиксирующей

63

канавкой. Конструкции инструментов для монтажа межсоединений в изделиях электронной техники приведены на рис. 4.1.

Для образования микросоединений широко используется инструмент из твердых сплавов типа ВК. Следует отметить, что этот сплав не обеспечивает достаточно высокой стойкости при монтаже проволочных соединений. Для изготовления микросварочного инструмента широко применяется керамика и сталь. Керамический материал на основе Al2O3 обладает высокой твердостью и не имеет адгезии с золотом. Стойкость стального инструмента можно повысить в результате упрочнения его поверхности различными методами химикотермической обработки.

Износостойкость рубинового инструмента значительно выше инструмента из твердого сплава. На термокомпрессионных установках инструмент из рубина обеспечивает 300 – 350 тыс. сварных соединений, а инструмент из твердого сплава

– 140-150 тыс. сварных соединений.

4.1.1. Технологические особенности изготовления инструмента

Дня монтажа межсоединений в полупроводниковых приборах и микросборках применяется инструмент из металлокерамических твердых сплавов, керамики, стали и других материалов. Наиболее сложной технологической операцией при изготовлении инструмента является поручение отверстий диаметром 0,015 мм и более для подачи проволоки в зону сварки.

При изготовлении твердосплавного микросварочного инструмента капиллярные отверстия диаметром 0,015 – 0,1 мм можно получать методом литья твердого сплава в металлическую форму. Полученные отверстия при этом не требуют дополнительной обработки. Специально разработанное оборудование обеспечивает требуемую точность геометрических размеров. Получение отверстий малых диаметров в изделиях из твердого сплава возможно методом порошковой металлургии.

а) б) в)

Рис. 4.1. Инструмент для присоединения электродных выводов; а – для ультразвуковой сварки внахлестку; б – для термокомпрессионной сварки внахлестку; в – для термокомпрессионной сварки встык с образованием шарика

Для размерной обработки отверстий в сварочном инструменте применяется электроискровой, прошивочный станок модели 04ЭП-10М, с помощью которого изготавливают отверстия диаметром 0,015 – 0,5 мм со скоростью прошивки 0,5 – 1,5 мм/мин. Точность обработки

на данном станке составляет ± 0,002 мм, а шероховатость обработанной поверхности Rа = 0,1 – 0,4 мкм.

Прошивку отверстий малых диаметров в твердосплавном инструменте для микросварки можно осуществлять электрохимическим методом проволочным катодом. Определенную роль в повышении производительности размерной электрохимической обработки играет магнитная обработка электролита. Скорость анодного растворения сплавов ВК2 и ВК20 в хло- ридно-щелочном электролите, подвергнутом магнитной обработке, возрастает на 25 – 28 %. .

При разработке инструмента с боковым отверстием для автоматических сварочных установок необходимо учитывать гарантированное совмещение проволоки с рабочим пазом инструмента и ограничение на ее свободную протяжку. Опытным путем найдены оптимальные соотношения привариваемой проволоки, на базе которых предложена конструкция инструмента для автоматической микросварки.

В процессе микросварки необходима периодическая очистка капиллярного инструмента от различного рода загрязнений. Своевременная и качественная очистка микросварочного инструмента способна значительно продлить срок его службы.

Из всех существующих методов очистки капиллярных инструментов считают перспективным способ очистки в низковязких органических растворителях при комнатной температуре на приспособлении с концентрацией ультразвуковых колебаний непосредственно в капиллярном отверстии. Выход годных инструментов с центральным отверстием составляет около 95 % а производительность труда на операциях очистки повышается в 3 – 5 раз за счет применения групповой обработки капилляров.

Для очистки керамических капиллярных инструментов диаметром 0,02 – 0,07 мм рекомендуется состав на основе серной кислоты и перекиси водорода с добавлением хлорфторзамещенного углеводорода и антистатика. В этом случае капиллярные инструменты загружаются в приспособление для груп-

65

повой обработки и помещаются в ванну с указанным составом при температуре 50 – 70 °С при воздействии ультразвука.

4.1.2. Влияние конструкции инструмента на качество микросоединений

На качество микросоединений при ультразвуковой сварке оказывают существенное влияние диаметр и длина инструмента, а также место его закрепления в ультразвуковой сварочной головке.

На прочность и другие параметры соединений алюминиевой проволоки с окисленным кремнием или кварцем влияют как усилия нагружения на сварочный инструмент, так и амплитуда ультразвуковых колебаний. Максимальная прочность соединений при ультразвуковой сварке алюминиевой проволоки диаметром 0,04 мм с окисленным кремнием или кварцем достигается при усилии нагружения на инструмент 0,3 – 0,35 Н с амплитудой колебаний 1 – 1,25 мкм.

Амплитуду колебаний микросварочного инструмента при сварке можно измерять с помощью полупроводниковых тензодатчиков, которые наклеиваются вблизи места крепления рабочего инструмента на полуволновой концентратор акустической системы. Регистрация мгновенных значений амплитуды колебаний сварочного инструмента дает необходимую информацию о процессе формирования сварного соединения.

Измерение амплитуды и контроль характера вибраций рабочего инструмента в установках ультразвуковой микросварки можно осуществлять с помощью бесконтактных виброметров.

Площадь физического контакта проволочных выводов с контактными площадками при сварке может быть увеличена за счет изменения формы торца микросварочного инструмента. Установлено, что при ультразвуковой

66

сварке инструментом с V-образным пазом на торце при одной и той же степени деформации алюминиевой проволоки усилие осадки будет больше, чем при ультразвуковой сварке инструмента с плоским торцом. Это приводит к активации контактных поверхностей, к увеличению площади физического контакта, а, следовательно, и к повышению прочности сварных соединений проволочных выводов.

Для получения качественного соединения рекомендуется производить сварку при усилии нагружения инструмента Qсв ≤ Qсв.опт.. При сварочном давлении Qсв больше оптимального Qсв.опт. возможно снижение прочности соединения. При усилии Qсв ≤ Qсв.опт. обеспечивается высокая производительность процесса монтажа с получением качественных соединений при деформации алюминиевой проволоки 30 – 50 %.

Присоединение выводов к контактным площадкам импульсным методом широко используется в микроэлектронике. Основные достоинства этого метода: локализация температуры в ограниченной области, кратковременность и стабильность процесса монтажа и возможность соединения многих металлов. Рекомендуется для образования соединений с максимальной механической прочностью повышать сварочное напряжение до 0,08 В при увеличении контактных площадок электрода от 0,08 до 0,4 мм и зазоре между электродами от 0,01 до 0,03 мм. Давление сварочного электрода должно составлять от 0,15 до 0,5 Н в зависимости от диаметра присоединяемой проволоки. Геометрические размеры рабочей части электрода рассчитываются с учетом диаметра привариваемой проволоки и величины контактных площадок.

Впроцессе импульсной сварки на рабочей поверхности электродов из металлокерамических твердых сплавов типа ВК образуется оксидная пленка. После 5500 – 7000 сварных соединений необходимо разрушать эту пленку механическим путем.

Вэлектронной промышленности для точечной микросварки иногда применяются специальные устройства – «карандаши». Конструкция устройства позволяет устанавливать

необходимую величину давления при автоматическом включении тока по достижении этого давления. С помощью этого устройства проводится сварка разнотолшинных материалов и металлов с различными теплофизическими свойствами.

Для беспроволочной сборки ИС групповым способом с целью выравнивания тепловых режимов по площади кристалла в рабочей части сварочного инструмента выполняют фигурный вырез на глубину не менее 0,6 мм. При монтаже таким инструментом отвод тепла в местах соединения лепестковых выводов с контактными площадками кристалла ИС происходит с различной интенсивностью в зависимости от количества контактных площадок и схемы расположения их на кристалле. Прочность соединений при сварке инструментом с вырезом в рабочей части более стабильна, чем при сварке инструментом с плоским торцом.

4.1.3. Схватывание инструмента с выводами при монтаже

В процессе присоединения внутренних выводов к контактным площадкам ИЭТ термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой наблюдается схватывание (смачивание) выводов с инструментом. В некоторых случаях оно бывает настолько интенсивным, что при подъеме инструмента поднимается и вывод, отрываясь от контактной площадки.

Установлено, что интенсивность схватывания между инструментом и алюминиевым выводом с увеличением времени выдержки возрастает неодинаково для различных марок твердого сплава и при различных температурах. Так, для инструмента из сплава ВК2 удельная сила схватывания при температурах 350-400 °С в 3 – 5 раз меньше, чем для инструмента из сплава ВК9 (рис. 4.2). Этот фактор зависит от состава материала инструментов.

Структура металлокерамического твердого сплава представляет собой как бы два вставленных один в другой (или переплетающихся между собой) скелета: карбидный и кобальтовый, что экспериментально подтверждается полным удалением кобальта из сплава путем продолжительного кипячения в соляной кислоте. Наличие в твердых сплавах резко различных по своим свойствам фаз – твердой и хрупкой карбидной и относительно мягкой и пластичной кобальтовой, которые могут быть разъединены, – позволяет рассматривать их при изучении вопросов контактирования инструмента со свариваемым материалом как независимые составляющие.

Рис. 4.2. Зависимость удельной силы схватывания от времени выдержки для различных сплавов: ВК2 при темпера-

турах 350 °С (1) и 400 °С (2); ВК9 при 350 °С (3) и 400 °С (4)

Карбид вольфрама имеет высокую температуру плавления, большую твердость и образует твердые растворы эвтекти-

69

ки и химические соединения с некоторыми металлами в области температур выше 1250 °С, При температуре ниже указанной соединений карбида вольфрама с металлами не образуется.

По своим физико-химическим свойствам кобальт существенно отличается от карбида вольфрама. Он мягче, имеет более низкую температуру плавления, взаимодействует со многими металлами при низких и высоких температурах. Кобальт образует твердые растворы эвтектики и химические соединения с широким кругом металлов.

Таким образом, физико-механические свойства материала инструмента существенно влияют на качество микросварных соединений и должны приниматься во внимание при разработке сварочных устройств. В качестве материала инструмента для термокомпрессионной сварки алюминиевых выводов рекомендуется использовать твердые сплавы с меньшим содержанием кобальта.

При ультразвуковой сварке алюминиевой проволоки с алюминиевой металлизацией хорошо зарекомендовал себя инструмент из карбида вольфрама, содержащий 0,5 % Со. Степень схватываемости такого инструмента с алюминием на 1 тыс. сварных соединений в 20 раз ниже, чем у применяемого материала ВК6М.

Для уменьшения адгезии инструмента с присоединяемыми выводами рекомендуется рабочую часть инструмента покрывать специальными сплавами. Например, нанесение на инструмент из сплава ВК6М защитного покрытия из карбида титана и оксида циркония увеличивает срок его службы в 2 – 3 раза.

4.2. Влияние пленочной металлизации контактных площадок на качество микросоединений

В качестве основного материала токоведущих дорожек и омических контактов кристаллов полупроводни-

70