Учебное пособие 800597

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

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