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

Находит применение еще одна разновидность ультразвуковой сварки, при которой соединяемые материалы нагреваются от по­ стоянно нагретого столика и сварочного инструмента. Приме­ ром применения такого способа сварки является присоединение выводов к кремниевым меза-структурам. Кремниевые мезаструктуры представлены на рис. 34. Я-л-переход в них получен диффузией алюминия и располагается на глубине 150 мкм. Ма­ лое сопротивление омического контакта в таких структурах до­ стигается высоким легированием поверхностных областей. Для сборки таких диффузионных структур с успехом можно приме­ нить комбинированный метод микросварки давлением с ультра­

пластичности исключает возникновение высоких механических напряжений в контакте с кремнием. Никелевая прослойка пре­ пятствует проникновению серебра в сплав золота с кремнием, что повлекло бы за собой уменьшение прочности сплава.

Присоединение выводов этим методом осуществляется на ус­ тановке с применением продольно-поперечных ультразвуковых колебаний, схема которой представлена на рис. 35. На нагрева­ тельный столик 7, поставленный на микроманипулятор, помеще­ на кассета 6, в которую закладывается вывод, на него кристалл кремния 5 и сверху второй вывод. Игла диаметром 1—1,5 мм опускается сверху на второй вывод. Давление иглы регулируется с помощью электромагнита.

На верхнюю иглу подаются ультразвуковые колебания с час­ тотой 20 кгц. Вокруг иглы располагается спираль нагревателя. Охлаждение производится без выключения нагревателя с по­ мощью обдува холодным воздухом. Это способствует быстрой кристаллизации жидкой фазы, образовавшейся в результате сплавления.

Сборка полупроводниковых структур указанным методом мик­ росварки происходит на открытом воздухе, поэтому в процессе сварки возможно загрязнение поверхности р-я-перехода, а соот­ ветственно и ухудшение его электрических параметров. Чтобы очистить поверхность р-л-перехода, полупроводниковый кристалл после присоединения выводов травят в смеси азотной, плавико­ вой и уксусной кислот, тщательно промывают и сушат.

Качество полученного соединения определяют с помощью ме­

52

ханических и электрических испытаний, а также металлографи­ ческого анализа. По металлографическим шлифам на участках присоединения выводов можно выявить дефекты этого процесса: проплавление глубже р-/г-перехода, трещины в кремнии и др.

Рис. 35. Схема установки для присоединения выводов с применением ультразвуковой сварки с продольно-поперечными колебаниями:

Оптимальный режим присоединения плоских выводов на установке

с продольно-поперечными ультразвуковыми колебаниями

Следует отметить, что оптимальный режим присоединения выводов выбирают в соответствии с условиями получения соеди­ нения максимальной прочности и минимальной глубины сплав­ ления (8— 10 мкм).

53

тродами может составлять от 10 мкм до 1,0 мм. Материалом электродов служат специальные сплавы, молибден, вольфрам.

Оптимальные режимы контактной микросварки расщеплен­ ным электродом приведены в табл. 5. Режимы даны для уста­ новки «Контакт ЗА», которую используют в производстве по­ лупроводниковых приборов.

Этот метод широко применяют для присоединения тонких »ме­ таллических проволочек к металлизированным полупроводнико­

электродом является высокопроизводительным. Производитель­ ность отечественных установок составляет 1000—1400 сварок/ч. Прочность образующихся соединений достаточно высока и срав­ нима с прочностью на разрыв присоединяемой проволоки.

Необходимо отметить, что способы контактной микросварки с большим успехом можно применять для разводки металличе­ ских проводников на ножки корпуса полупроводниковых прибо­ ров и интегральных микросхем.

Применение контактной микросварки для присоединения вы-. водов к активным площадкам полупроводниковых структур огра­ ничено из-за высокого локального нагрева места соединения. Однако диапазон применения этого метода для присоединения выводов к полупроводниковым кристаллам значительно увели­ чивается при создании на планарной транзисторной или диодной структуре «расширенного контакта» (рис. 38). В этом случае высокий локальный нагрев в меньшей степени влияет на свойст­ ва р-/г-перехода.

55

Т а б л и ц а 5

Оптимальные режимы контактной микросварки расщепленным электродом

Основными дефектами, которые могут наблюдаться при использова­ нии этого вида сварки, являются: большая деформация присоединяе­ мой проволоки; ухудшение электри­ ческих свойств р-п-перехода; тре­ щины в полупроводниковом кри­ сталле. Все эти виды брака получа­ ются из-за неправильно выбранных технологических параметров режи­

ма контактной сварки (приложенного давления и величины сва­ рочного тока).

§ 15. Термокомпрессия

Наибольшее распространение в настоящее время для присое­ динения тонких металлических проводников к металлизирован­ ной поверхности полупроводниковых кристаллов получил метод термокомпрессии. При данном методе контактируемые материа­ лы приводятся в близкий контакт друг с другом и присоединя­ ются при совместном действии температуры и давления под влиянием адгезионных сил (силы сцепления). При условии, что удельное сопротивление кремния не слишком велико, термокомп­ рессия может обеспечить создание хороших невыпрямляющих контактов с кремнием. Термокомпрессию как технологический процесс определяют три основных параметра:

56

1 ) температура, которая ограничивается температурой обра­ зования эвтектики соединяемых материалов и температурой об­ разования дислокаций в полупроводнике под действием прило­ женного давления;

2 ) давление, которое должно быть таковым, чтобы деформа­ ция присоединяемого материала была не менее 30%' и не бо­

лее 60%; 3) длительность процесса, который при условии постоянства

температуры и давления, как правило, составляет отрезки вре­ мени от долей до десятков секунд в зависимости от температуры, состояния предварительной очистки материалов, от того, какие материалы присоединяются, и от окружающей среды.

Поверхность металла (полупроводника) содержит микроско­ пические неровности. Давление на таких микроскопических пло­ щадях значительно больше, чем кажущееся давление, определяе­ мое как общее давление нагрузки двух контактируемых твердых тел. Даже при минимальной нагрузке давление на стыке микро­ выступов и микровпадин будет очень большим и материал будет деформироваться. Следует отметить, что на процесс термокомп­ рессии большое влияние оказывает наличие поверхностных окисиых пленок. Поэтому прочное соединение при этом способе может образоваться только при определенной пластической де­ формации в зоне контакта. Деформация должна обеспечить вытес­

пределения валентных связей между атомами соединяемых поверхностей. Для возникновения такого взаимодействия необхо­ димо достижение поверхностными атомами определенного энергетического состояния (преодоления энергетического порога схватывания).

В данном случае преодоление энергетического порога схва­ тывания достигается в результате совместного нагрева и дав­ ления.

Процесс термокомпрессии происходит обычно на воздухе, и качество сварного соединения во многом зависит от степени окисления поверхности. Вследствие того, что термокомпрессия металлической проволоки к кремнию и германию затруднена, на поверхность полупроводника наносят металлическую пленку (ча­ ще золотую или алюминиевую). Механическая прочность соеди­ нения — металлическая пленка-металл обычно выше, чем меха­ ническая прочность соединения — металл-кремний. Наиболее качественные соединения методом термокомпрессии удается по­ лучить при сварке проводников с металлическими пленками не­ посредственно после их напыления на полупроводниковые пла­ стины.

57

Для образования омического контакта в полупроводниковых приборах используют золото, алюминии, никель, свинец, серебро, хром, титан. В кремниевых приборах предпочтение отдается алю­ минию и золоту. Однако, используя алюминии для напыления на кремнии /г-типа, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать опасности образования области р-типа в месте кон­ такта алюминия и кремния, которая может возникнуть в резуль­ тате вплавления алюминия.

Термокомпрессия может осуществляться двумя видами соеди­ нений (рис. 39): внахлестку и встык.

При сварке внахлестку проволочный вывод накладывают на контактную площадку полупроводникового материала и прижи­ мают к нему инструментом до

Термокомпрессия внахлестку обеспечивает прочное соедине­ ние полупроводниковых материалов с проволочными выводами из золота, алюминия, серебра и других пластичных металлов; при сварке встык применяют только проволочные выводы из зо­ лота, т. к. образование шариков на других материалах представ­ ляет определенные трудности.

К соединениям, выполненным внахлестку, предъявляются следующие, требования:

конфигурация соединения должна зависеть от формы нако­ нечника инструмента. Размер торца иглы должен быть не менее двух диаметров проводника, чтобы избежать неравномерной де­ формации его при сварке;

длина деформированного участка проволоки должна быть не менее двух ее диаметров;

при сварке краем капиллярного инструмента (сварка встык по методу «сапожка» с подачей проволоки через осевое отверстие капилляра) диаметр его торца должен быть не менее 4,5—5,5 диа­ метра проволоки, причем ширина кольца торца капиллярного наконечника равна 1,5—2 диаметра проволоки и диаметр отвер­ стия капилляра — 1,5 диаметра проволоки.

К соединениям, выполненным встык, предъявляются следую­ щие требования:

58

диаметр оплавленного конца проволоки (шарика) должен со­ ставлять два диаметра проволоки;

относительная деформация шарика не должна превышать

75%;

диаметр соединения должен определяться размерами контакт­ ной площадки прибора. Минимальный размер контактной пло­ щадки на приборе должен быть больше диаметра соединения на величину точности его постановки.

Сварка внахлестку может быть произведена пуансоном, тор­ цом капиллярного наконечника, инструментом «птичий клюв». При сварке с применением пуансона (иглы) конец проволочного вывода подводят в зону сварки специальным механизмом и на­

ются механические операции, чем достигает­ ся высокая производительность. Наличие на торце инструмента

«птичий клюв» формующей канавки ограничивает течение ма­ териала в верхней части сечения проволоки и принудительно уве­ личивает скорость течения в околоконтактной зоне. Этим дости­ гается получение прочного соединения при относительно неболь­ ших усилиях на инструмент.

Подвод тепла в зону сварки может осуществляться различ­ ными способами (табл. 6 и рис. 41).

Рассмотрим подробно, каю следует выбирать оптимальный ре­ жим термокомпрессии.

На рис. 42 изображена планарная диодная структура с золо­ ченой контактной площадкой 0 80 мкм, к которой присоединяет­ ся золотая проволока 0 50 мкм. Сварка осуществляется на уста­ новке, схема которой показана на рис. 43. Технология присоеди­ нения выводов на этой установке выглядит следующим образом. Полупроводниковый кристалл закрепляют на специальном сто­ лике— нагревательной колонке 6. К кристаллу с помощью одно­ го микроманипулятора подводят золотую проволоку, а с по-

39

мощью другого — иглу-пуансон 5, которая прижимает проволоку к кристаллу с удельным давлением приблизительно 3 кГ/ммА. Время сварки составляет 2—5 сек.

Перед проведением процесса поверхность кристалла тщатель­ но обезжиривают, а золотую проволоку для увеличения пластич-

Рис. 41. Подвод тепла в зону сварки:

а — нагревом прибора, б — нагревом нглы пли пуансона, в — на­ гревом иглы с одновременным нагревом прибора

ности отжигают в водородной печи при температуре 400° С в течение 10—20 мин. Вследствие того что процесс сварки проис­ ходит на воздухе и возможно загрязнение поверхности полупро­ водника, после сборки соединяемые детали тщательно промы­ вают в кипящем изопропиловом спирте.

Рабочий диапазон температуры и давления при термоком­ прессии выбирают, исходя из того, что температура процесса должна быть ниже температуры эвтектики соединяемых мате-

60