книги из ГПНТБ / Минскер Ф.Е. Сборка полупроводниковых приборов учеб. пособие

отличается тем, что между деталями в начальный момент име­ ется зазор. Затем подается напряжение от источника тока и между деталями возникает определенная разность потенциалов. Детали сближают до соприкосновения, образуется электричес­ кий контакт и начинает протекать электрический ток. При отсут­ ствии сжимающего усилия число мест касаний деталей очень мало. Незначительны и поверхности мест касания деталей; поэтому в местах касания деталей создается исключительно вы­ сокая плотность тока, во много раз превосходящая плотность тока в местах касания при сварке сопротивлением. Выделяется большое количество тепла, под влиянием которого металл выс­ тупов практически мгновенно расплавляется, образуются мости­ ки жидкого металла. Металл растекается по свариваемым по-

Рнс. 21. Виды контактной сварки:

а — стыковая, б —точечная, в — роликовая

верхностям деталей и выбрасывается из зазора между сварива­ емыми деталями в виде брызг.

Под действием выделяемого в мостиках тепла нагреваются прилегающие участки свариваемых деталей. При достижении необходимой температуры на достаточную глубину от торцов деталей скорость их сближения резко увеличивается. Детали сжимаются значительной силой Р. Жидкий металл, находивший­ ся на торцах деталей, выдавливается наружу. Нагретые и пластичные слои металла сжимаются. В результате пластичес­ кой деформации и одновременно рекристаллизации происходит процесс взаимной кристаллизации — детали свариваются.

При точечной сварке (рис. 21, б) соединяемые детали соби­ рают внахлестку и зажимают между двумя медными электрода­ ми, подводящими ток к месту сварки и имеющими форму усечен­ ного конуса.

Сварочный ток, проходя через свариваемые детали (рис. 22), встречает на своем пути активные сопротивления:

переходные Rn' и Ru" (если электроды медные, то переходные, сопротивления меньше, чем сопротивление контактов Rк) ;

31

контактные RK (которые зависят от физических свойств ме­ талла и состояния контактируемых поверхностей).

Активные сопротивления в процессе нагрева и сваривания деталей весьма значительно изменяются.

Полезным для процесса сварки является тепло, выделяемое в основном металле, и тепло, освобождаемое на контакте между соединяемыми деталями. Тепло, выделяемое на контактах между электродами и основным металлом, в большинстве случаев является вредным для процесса сварки, так как подгорает по­ верхность изделия и ускоряется износ электрода.

называют также роликовой (рис. 21, в). При шовной сварке листы соединяются плотным швом.

Наиболее специфичными особен­ ностями процессов сварки, приме­ няемых при производстве полупро­ водниковых приборов, являются: ма­ лые толщины присоединяемых про­ водников (10—200 мкм); разнооб-' разие соединяемых материалов; вы­ сокое качество соединения. Темпера­ тура процесса сварки должна выби­ раться таким образом, чтобы сохра­ нить электрические свойства р-п-пе­ рехода. Наиболее распространенны­

ми видами сварки в полупроводниковой промышленности для присоединения выводов к кристаллам диодов, триодов, интег­ ральных схем являются термокомпрессионная, ультразвуковая, сварка давлением с косвенным импульсным нагревом и ультра­ звуковая с косвеннным импульсным нагревом.

Метод термокомпрессии можно охарактеризовать как сварку без расплавления свариваемых материалов, когда в результате нагрева и пластической деформации (по крайней мере одного из свариваемых материалов) поверхностные пленки разрушаются и образуется плотный контакт между деталями при сравнительно низких температурах.

Ультразвуковая сварка позволяет соединять однородные и разнородные металлы, имеющие различную толщину. Возможно соединение металлов с неметаллами, а также с металлами, по­ крытыми оксидными и лаковыми пленками. При ультразвуковой сварке, так же как и при термокомпрессии, соединение образу­ ется в твердой фазе без расплавления свариваемых компонентов.

Метод сварки давлением с импульсным косвенным нагревом является разновидностью термокомпрессионной сварки и заклю­ чается в том, что рабочий инструмент нагревается только в мо­ мент сварки, а выделение тепла сосредоточено в нижней, рабо-

32

чей части инструмента. Для этого инструмент (капилляр или иг­ лу) разрезают на две части, оставляя конец целым, который используется в качестве нагревательного элемента, образуя теп­ ловой клин. Этот метод с успехом применяют при работе с ком­ понентами, чувствительными к нагреву. Малое время нагрева снижает до минимума тепловые повреждения при условии, если форма импульса подобрана так, что не вызывает теплового удара.

Большое распространение в настоящее время получили ком­ бинированные способы сварки такие, как: термокомпрессионная сварка с ультразвуком, ультразвуковая сварка с косвенным им­ пульсным нагревом.

Применение ультразвука при термокомпрессионной сварке позволяет значительно уменьшить время сварки при увеличении прочности соединения в результате разрушения окисных пленок на кремнии или германии. Амплитуда ультразвуковых колебаний и удельное давление меньше, чем при чисто ультразвуковой свар­ ке, а стабильность процесса выше.

В последнее время все большее развитие получают новые виды сварки: сварка электронным лучом и сварка лазерным из­ лучением.

Сущность процесса сварки электронным лучом состоит в ис­ пользовании кинетической энергии электронов, быстро движу­ щихся в глубоком вакууме.

Электронный поток является наиболее концентрированным источником нагрева металлов при сварке, поскольку плотность энергии в луче во много раз превосходит плотность энергии электрической сварочной дуги.

При соударении ускоренных электронов с поверхностью де­ тали их кинетическая энергия превращается в тепловую и металл разогревается. Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути электронов находится магнитная отклоняющая система, позволяющая устанавливать электронный луч точно по линии

/жет быть сосредоточена энергия мощной современной турбины. При нагреве электронным лучом за очень короткий промежуток времени в пятне могут быть получены весьма высокие темпе­ ратуры.

Внастоящее время электроннолучевая сварка широко при­ меняется для герметизации металлических корпусов полупровод­ никовых приборов.

Сварка лазерным излучением осуществляется с помощью оп­ тического квантового генератора и представляет собой электро­ магнитное излучение высокой интенсивности. С помощью опти­ ческой системы световой поток может быть легко сфокусирован на поверхности материала в пятно размером от единиц до десят­ ков микрон.

При такой сварке можно получить плотности энергии того же порядка, что и при использовании электронного луча. Спо­ соб лазерного излучения является универсальным, так как-свар- ку металлов можно производить в воздухе, в .защитной атмос­ фере и в вакууме.

К несомненным преимуществам этого способа относится воз­ можность легкого фокусирования излучения обычными простыми оптическими системами. Открываются и новые возможности, не­ известные при существующих методах сварки, например, воз­ можность сварки через прозрачные оболочки, так как для све­ товых лучей прозрачные среды не являются преградами.

Основной недостаток способа лазерной сварки заключается

внестабильности выходных энергетических характеристик твер­ дотельных лазеров, применяемых в сварочных установках. Про­ странственная и временная неоднородность лазерного излучения

взначительной степени затрудняет выбор оптимального режима сварки и снижает воспроизводимость процесса.

Управление инстенсивностыо излучения в локальном пятне может осуществляться тремя способами: изменением длитель­

ности воздействия излучения на материал, изменением площади пятна, изменением выходной энергии.

Большинство сочетаний материалов сваривается при интен­ сивности излучения ІО5—ІО6 вт/см2.

Одним из важнейших вопросов при отработке технологии сварки является контроль качества сварных соединений.

Методы контроля сварных соединений можно разделить на разрушающие и неразрушающие.

К разрушающим методам контроля следует отнести: испыта­ ния на механическую прочность; металлографический анализ шлифов получившихся соединений.

Неразрушающим методом осуществляют визуальный осмотр соединений и готовых приборов, испытания на герметичность корпусов, просвечивание рентгеновскими лучами, измерение электрических характеристик готовых приборов.

Промежуточное положение занимают испытание приборов на надежность; испытание на устойчивость к одиночным ударам и вибрации; испытание на устойчивость к термоциклам; длитель­ ные электрические испытания.

Спомощью визуального осмотра под микроскопом можно выявить обрывы соединений, трещины в кристалле, трещины вблизи выводов корпуса.

Спомощью просвечивания рентгеновскими лучами можно об­ наружить пустоты в местах сварки кристаллов с корпусом, вы­ водов крышки с корпусом, трещины в корпусе, плохое совмеще­ ние соединяемых деталей (корпуса, вывода, кристалла).

Испытание на герметичность корпусов жидкостным методом дает возможность найти утечки в корпусе. Измерение электри­ ческих характеристик готовых приборов позволяет установить постоянный или кратковременный обрыв и короткие замыкания.

34

Наиболее эффективными методами контроля и оценки качест­ ва сварных соединений являются механические испытания свар­ ных швов и металлографический анализ соединений при выборе оптимального режима сварки. По характеру разрыва можно с большой достоверностью определить качество сварного соедине­ ния. Например, при присоединении тонкого металлического про­ водника к полупроводниковому кристаллу методом термоком­ прессии прочность соединения на срез должна быть не менее 70% прочности привариваемого проводника на растяжение при усло­ вии разрушения его вблизи сварной точки. При испытаниях на растяжение оценка ведется по разрывному усилию, которое со­ поставляется с прочностью проводника на разрыв.

Металлографические исследования позволяют обнаружить дефекты в сварном шве: плохое сцепление (адгезию) металли­ зированного покрытия с кристаллом, пустоты, раковины в соеди­ нениях, наличие интерметаллических хрупких структур, микро­ трещины в зоне сварки, формы и размер сварного соединения. Металлографический анализ проводят обычно на поперечных шлифах, сделанных в различных точках сварного соединения.

Контрольные вопросы

1.На какие стадии можно разделить процесс образования паяного со­ единения?

2.Как влияет на процесс пайки состояние поверхности паяемых мате­

риалов?

3.Какие среды применяют при пайке?

4.Какие существуют методы контроля паяных соединений?

5.Какие существуют припои и флюсы?

6.В чем заключаются особенности пайки при производстве полупровод­

никовых припоев?

7.Чем отличается сварка от пайки?

8.В чем заключается процесс холодной сварки?

9.Назовите три основных вида контактной электрической сварки.

10.Какие основные параметры определяют процесс электрической кон­

тактной сварки?

11. Какова сущность процесса сварки электронным лучом и лазерным из­

лучением?

12. Назовите методы контроля сварных соединений.

2:

Глава III

МОНТАЖ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛОВ

ВКОРПУС

§7. Скрайбирование

Структура полупроводникового прибора создается диффузией различных примесей в исходную полупроводниковую пластину. С помощью процессов фотолитографии на одной пластине изготов­ ляют до 1600 однотипных структур (в зависимости от диаметра исходной пластины и размеров полупроводникового прибора-

кристалла).

После создания структур пластину необходимо разделить на отдельные кристаллы, на основе которых будет собран полупро­

36

вдоль линии реза в двух взаимно перпендикулярных направле­ ниях. При этом кристаллы разделяются по линиям царапин. По­ лученные кристаллы подвергают химической обработке (очист­ ке) и передают на последующие операции. Неразделившиеся части пластины подвергают повторному разламыванию до пол­ ного разделения на кристаллы.

Пластины молено разламывать и на специальных установках, например ЭМ-202 с регулируемым усилием ломки (50—5000 г ).

Установка для скрайбирования ЭМ-201 позволяет наносить линии в широком диапазоне шагов: через 0,01 от 0,01 до 9,99 мм.

Технические характеристики установки ЭМ-201

В последние годы повышение требований к точной ориента­ ции кристаллов способствовало разработке новых способов раз­ деления пластин на кристаллы: резка гладкими полотнами, рез­ ка алмазными дисками, резка проволокой, разделение с помо­ щью ультразвуковых колебаний, химическое разделение.

Для ломки скрайбированных пластин разработан способ лом­ ки на сфере. При этом удается сохранить исходную ориентацию кристаллов и намного повысить производительность сборки.

§ 8. Способы монтажа

Кристаллы полупроводникового материала со структурами после разделения и химической обработки необходимо поместить на кристаллодержатель или ножку, т. е. часть корпуса прибо­ ра, на которой обычно производят монтаж (сборку) готового прибора.

По существу и ножка и кристаллодержатель выполняют оди­ наковые функции, однако в связи с отсутствием единой термино­ логии конструктивных элементов и деталей полупроводниковых приборов употребляются оба термина.

К материалу кристаллодержателя, или ножки, предъявляют ряд требований:

кристаллодержатель должен быть прост в изготовлении и сборке;

для исключения термических или механических напряжений он должен иметь коэффициент термического расширения, по воз­ можности близкий к коэффициенту термического расширения применяемого полупроводникового материала (германия, крем­ ния и пр.);

37

материал должен обладать оптимальными тепло- и электро­ проводностью;

материал должен легко покрываться другими металлами (электрохимически, напылением).

Рассмотрим различные способы монтажа кристаллов: пайку, приклеивание, сплавление. В последнее время получает распро­ странение крепление кристаллов (например, интегральных схем) с помощью тугоплавких или легкоплавких стекол.

При выборе указанных способов монтажа кристаллов при­

и т. д.

Пайка. Пайка подробно описана в гл. II, а технология монта­ жа структур на держатель будет рассмотрена ниже.

Приклеивание. Для приклеивания используют органические материалы — клеи, компаунды, эмали, смолы и т. д.

В настоящее время существуют клеи с повышенной теплостой­ костью, стойкостью к динамическим нагрузкам и другими свой­ ствами, позволяющими клеевым композициям успешно конкури­ ровать с паяными, сварными, клепаными и арматурными спосо­ бами соединения материалов.

Как известно, многие материалы не допускают высоких тем­ ператур, требующихся при сварке и пайке, а некоторые неметал­ лические материалы (стекло, пластмассы и т. д.) вообще не мо­ гут быть соединены указанными способами. Склеивание мате­ риалов дает возможность соединять самые разнообразные материалы в различных сочетаниях (от больших до малых тол­ щин), упрощать конструкцию узла, уменьшать его вес, снижать расход металлов, не применять крепежной арматуры и припоев, необходимых при пайке. Клеевые соединения позволяют полу­ чать соединительные швы с электроизоляционными, оптически­ ми, токопроводящими демпфирующими и другими заданными свойствами.

К недостаткам клеевых соединений следует отнести сравни­ тельно невысокую теплостойкость, небольшую прочность при от­ рыве, а также сложность определения дефектов склеивания в конструкции.

Сплавление. Сплавление представляет собой процесс соедине­ ния в результате образования многокомпонентного жидкого раствора при нагреве двух или более твердых фаз, находящихся в контакте друг с другом. Режим сплавления характеризуется температурой и временем. Для правильного выбора режимов необходимо заранее установить зависимость растворимости сплавляемых материалов в исходном полупроводниковом мате­ риале от температуры по диаграмме состояний «сплавляемый ма­ териал — полупроводник».

Пайка стеклом. Начинает применяться способ соединения кристаллов с подложками и держателями с помощью пайки бесщелочным тугоплавким стеклом.

38

Все перечисленные методы монтажа характеризуются общим технологическим процессом и строгой технологической последо­ вательностью: подготовка держателя и кристалла к монтажу, загрузка в технологическую оснастку, подготовка технологичес­ кого оборудования, проведение самих процессов монтажа со строгим соблюдением технологических режимов.

§ 9. Монтаж кристаллов пайкой

Кассетный способ пайки кристаллов рассмотрим на следую­

щем примере.

В кассету (рис. 25), изготовленную из специальной стали (ча­ ще всего это нержавеющая сталь), помещают кристаллодержа­ тель 3, который фиксируется в ней с помощью штифтов. На

После загрузки кассеты передаются на пайку. Пайку целесооб­ разно проводить в конвейерных печах, обладающих высокой производительностью (рис. 26). В отличие от печей периодиче­ ского действия, где в течение рабочего цикла происходят ста­ дии нагрева, выдержки в нагретом состоянии и охлаждения, в конвейерной печи кассета в течение рабочего процесса двигается по конвейерной ленте, проходит зону нагрева, выдержки и ох­ лаждения. Конструкция печидопускает распределение тем­ пературы вдоль рабочей зоны. Кассеты с загруженными в них арматурами для пайки устанавливают на ленту, скорость дви­ жения которой регулируется в соответствии с технологическими режимами. Печь может работать на водороде и на любом из инертных газов. При работе на водороде с обоих концов печи с помощью запальников поджигают факелы для сжигания водорода.

Возможна также пайка в печах периодического действия и в герметических скафандрах с контролируемой атмосферой, на­ пример, со средой аргона, который защищает поверхность спаи­ ваемых деталей от окисления. Печи периодического действия предназначены главным образом для экспериментальных работ и допускают быструю смену технологических режимов. При ис­ пользовании герметичных скафандров (в настоящее время изго­ товляются скафандры с ламинарным потоком воздуха) возмож­

39

но размещать внутри них нагревательные устройства (плитки, столики) различной конструкции, отличающиеся незначительны­ ми габаритами. При этом целесообразно применять бескассетный

способ пайки структур.

Чрезвычайно важно при проведении пайки соблюдать режи­ мы: температуру и время процесса. Температуру контролируют ртутными и контактными термометрами, термопарами, а время,

восновном,— секундомерами.

Впоследнее время для проведения пайки находит примене­

ние ультразвук, при этом наибольшее распространение получила

Рис. 26. Прямонакальная конвейерная установка

частота ультразвуковых колебаний около 60 кгц. Ультразвук разрушает окисную пленку и создает таким образом возмож­ ность контактирования чистых соединяемых поверхностей с припоем.

Любой из указанных методов пайки требует тщательной под­ готовки соединяемых поверхностей. Детали полупроводниковых приборов и кристаллы обезжиривают в растворителях: ацетоне, толуоле, четыреххлористом углероде и др., после чего их тща­ тельно сушат. Для удаления окисных пленок используют кис­ лотный или щелочной травитель, однако перед сушкой в этом: случае необходима промывка в дистиллированной воде.

40