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

г

Рис. 42. Планарный диод с присоединенными вывода­ ми:

/ — кремниевая планарная структура, 2 — контактная пло­ щадка, 3 — внешние выводы

Рис. 43. Схема установки для присоединения выводов способом термокомпрессии:

/ — манипулятор, 2 — электромагнит, 3 — механизм давления, 4 — микроскоп, 5 — игла-пуаисон, 6 — нагревательный сто­ лик

Температура, °С

Рис. 44. Зависимость прочности соединения от темпе­ ратуры для диодных твердых схем, изготовленных по планарной технологии

риалов, а давленые должно быть таким, чтобы обеспечить де­ формацию металлического проводника до 50%• Температура эвтектики золото — кремний составляет 373° С.

Установление зависимостей прочности сварных соединений от температуры и давления на игле позволяет найти оптимальный режим процесса термокомпрессии. На рис. 44, 45 представлены зависимости прочности соединения от температуры и приложен­ ного давления. Зависимость прочности соединения от темпера­ туры устанавливается при постоянных температуре и времени сварки.

Как видно на рис. 44, в интервале температур 260—300° С происходит увеличение прочности соединения. При температуре

Рис. 45. Зашісимость прочности соединения от давления

320° С достигается максимальная прочность. При повышении тем­ пературы от 320 до 340°С увеличения прочности соединения не наблюдается. При дальнейшем увеличении температуры обра­ зуется жидкая фаза, которая приводит к изменению электриче­ ских параметров диодной структуры.

При установлении зависимости прочности соединения от дав­ ления температура процесса берется равной 320° С. Максималь­ ная прочность соединения (см. рис. 45) достигается при давле­ нии 7 кГ/мм2 и при увеличении давления до 10 кГ/мм2 остается постоянной. При дальнейшем увеличении давления прочность термокомпрессионного соединения резко падает. Снижение проч­ ности объясняется большой деформацией вывода и появлением трещин в кристалле полупроводника.

Время сварки определяется также опытным путем при по­ стоянном давлении и-температуре, исходя из получения макси­ мально прочного соединения.

Таким образом, оптимальный режим термокомпрессии при присоединении золотой проволоки 0 50 мкм к золоченой контакт­ ной площадке диодной структуры выглядит следующим образом:

62

температура — 320° С; давление на игле-пуансоне 7—10 кГ/мм2\ -время сварки — 3—5 сек.

Рекомендуемые режимы сварки для различных соединении

приведены в табл. 7.

Т а б л и ц а 7

Рекомендуемые режимы термокомпрессии для различных соединений

Разновидностью термокомпрессии является сварка с косвен­ ным импульсным нагревом У-образным электродом, предложен­

63

действием приложенного давления происходит осадка метал­ лического проводника и образование соединения.

Режим такого вида сварки характеризуется первичным на­ пряжением, длительностью импульса и приложенным давлением.

Величину первичного напряжения следует выбирать в диапа­ зоне 80—130 в, величину длительности импульса 0,1—1 сек, при­ ложенное давление в зависимости от диаметра и пластичности присоединяемой проволоки составляет 40—150 Г.

В табл. 8 приведены рекомендуемые режимы для присоеди­ нения металлических проводников к различным материалам.

Т а б л и ц а 8

Рекомендуемые режимы сварки косвенным импульсным нагревом

роваиный

Наиболее успешно сварку с косвенным нагревом применяют для присоединения золотой и алюминиевой проволоки к травер­ сам корпусов транзисторов и к корпусам гибридных микросхем, изготовленных из ковара, никеля, ситалла, покрытых золотом.

Основными достоинствами данного способа сварки являются: малая продолжительность процесса; отсутствие нагрева всего изделия при локальном кратковременном нагреве до 500—700° С; высокая производительность.

При сварке давлением с косвенным импульсным нагревом вы­ сокие требования предъявляют к рабочему инструменту. Инстру­ мент должен быть изготовлен из наиболее теплостойких сплавов,

64

жаропрочных сталей и твердых сплавов и отличаться высокой точностью, так как режим сварки (первичное напряжение, плот­ ность протекающего тока) определяется фактически сопротивле­ нием иеразрезной части иглы. Торцы рабочего инструмента имеют такую же форму, что и при термокомпрессии. Стойкость инструмента с плоским концом для присоединения проволоки 0 50 мкм, изготовленного из ниобиевых сплавов, составляет до 6000 сварок, а из твердых сплавов — более 40 000 сварок.

В настоящее время оборудование для термокомпрессии яв­ ляется наиболее широко применяемым для присоединения тонких металлических проводников к полупроводниковым кристаллам и к корпусам диодов, транзисторов и интегральных микросхем.

Установка термокомпрессии должна иметь следующие эле­ менты:

рабочий столик с нагревательной колонкой или без нее; механизм создания давления; рабочий инструмент;

механизм подачи и обрезки проволоки; манипуляторы для совмещения соединяемых деталей; систему наблюдения за технологическим процессом; блоки питания и управления.

Рабочий столик служит для крепления кристалла или корпу­ са прибора. Обычно рабочий столик является сменным, чтобы обеспечить возможность присоединения выводов к приборам различного типа. Нагревательный элемент, укрепленный в рабо­ чем столике, обеспечивает необходимый нагрев кристалла (при­ бора) до требуемой температуры. Пределы регулирования тем­ пературы 100—500° С.с точностью поддержания 7—10° С.

Механизм создания давления предназначен для получения необходимого усилия сжатия на свариваемые детали в достаточ­ но широких пределах. Диапазон регулирования усилия сжатия 20—200 Г. Такой широкий диапазон необходим для того, чтобы была возможность присоединять металлические проводники как непосредственно к полупроводниковым кристаллам (в этом слу­ чае давление меньше), так и к корпусам полупроводниковых приборов. Управление механизмом давления может осущест­ вляться рукой, ножной педалью, электродвигателем.

Рабочий инструмент, как уже отмечалось, во многом опреде­ ляет качество сварного соединения.

Особые требования предъявляются к материалу и форме ра­ бочего инструмента термокомпрессии.

. Материал рабочего инструмента должен обладать низкой теплопроводностью (в случае непрерывного нагрева, наоборот,— высокой теплопроводностью), высокой прочностью при периоди­ ческом нагреве и охлаждении и изменении рабочих усилий; высокой износостойкостью при температурах до 500° С, малой способностью к схватыванию со свариваемыми деталями.

В качестве материала инструмента следует применять стекло «Пирекс», рубин, сапфир, твердые сплавы ВК-6, ВК-15.

Механизм подачи и обрезки проволоки различен в зависимо­ сти от назначения установки. При сварке иглой чаще исполь­ зуется роликовый механизм подачи, в котором ролики враща­ ются от электродвигателя. Обрезка проволоки производится ножницами.

При сварке капиллярныминструментом или инструментом типа «птичий клюв» применяют катушку со свободным сматыва­ нием проволоки.

Манипуляторы предназначены для точного совмещения рабо­ чего инструмента и соединяемых деталей.' Обычно используют манипуляторы двух типов: рычажные и паитографные. Точность расположения получаемого контакта составляет 5—7 мкм.

Рис. 47. Схема приспособления для испытания приборов па разрыв:

1 — кристалл, 2 — выводы

Система наблюдения состоит обычно из бинокулярного или стереоскопического микроскопа с увеличением от 8 до 80 крат. Для лучшего наблюдения и удобства работы микроскоп должен иметь большое фокусное расстояние (80—100 мм).

В табл. 9 приведены технические характеристики наиболее распространенных отечественных установок.

Метод контроля качества термокомпрессионных соединений может быть разрушающим и неразрушающим.

Наиболее эффективны для оценки качества соединений — испытания на механическую прочность и металлографический анализ. С помощью этих метод'ов контроля выбирают оптималь­ ный режим процесса термокомпрессии. Существует довольно много различных приспособлений, установок для проверки меха­ нической прочности соединения (рис. 47).

Кристалл с двумя присоединенными выводами зажимается в специальном устройстве, и соединение постепенно нагружают растягивающей силой, действующей параллельно поверхности кристалла (испытания на срез). Соединение является качествен-

GS

ным, если его прочность составляет не менее 70%' от прочности на растяжение присоединенной проволоки.

Другим типом механических испытаний является проверка соединений на отрыв под углом 30, 45, 90 или 180° относительно поверхности подложки. Такие механические’испытания следует производить на каждых трех-четырех образцах повой партии приборов.

Металлографический анализ шлифов дает возможность уста­ новить структуру сварного соединения и выявить ее внутренние дефекты. Анализ особенно эффективен в том случае, когда при визуальном осмотре соединения не были обнаружены дефекты. С помощью металлографического анализа выявляют такие де­ фекты, как плохое сцепление металлической пленки с кристаллом полупроводника; вплавление металла в объем полупроводника, получившееся из-за высокой температуры процесса сварки; мик­ ротрещины в кристалле полупроводника; наличие интерметалли­ ческих соединений.

Установление причин этих дефектов дает возможность соот­ ветствующим образом изменить технологические параметры ре­ жима сварки для получения качественных соединений.

Визуальный осмотр соединений является наиболее распрост­ раненным методом контроля. Качество готовых узлов прове­ ряют 100%-ным осмотром с применением микроскопа на соответ­ ствие требованиям чертежа. Зона сварки не должна быть сме­ щена за границы контактной площади. Деформация вывода должна составлять 30—60% от его толщины. При деформациях от 60 до 90% прочность соединения может резко падать и отбра­ ковку в этом случае ведут индивидуально, т. е. с учетом наличия или отсутствия других дефектов.

Изменение электрических характеристик прибора после при­ соединения выводов также достаточно четко дает представление о правильности выбранного технологического режима сварки и возможных дефектах в структуре полупроводника, получившихся в процессе присоединения выводов. Например, резкое увеличе­ ние величины обратных токов и падение пробивного напряжения диодной структуры свидетельствует о возможных микротрещииах в объеме полупроводника, по которым происходит утечка тока.

§16. Присоединение выводов пайкой

Впроцессе панки происходит взаимное растворение и диффу­ зия припоя и основного металла в достаточно тонком приповерх­ ностном слое соединяемых металлов.

Впроизводстве полупроводниковых приборов методами пай­ ки присоединяют токоведущие выводы и производят посадку

кристаллов на кристаллодержатель. В ряде случаев при добав­ лении соответствующих легирующих добавок пайкой образуется р-п-переход.

69

Паяные соединения должны обладать высокой механической прочностью, малым омическим сопротивлением, устойчивостью к термическим нагрузкам в диапазоне температур —60----1-120° С, коррозионной стойкостью, устойчивостью к ударным и вибра- дионн-ым нагрузкам.

Для получения высокого качества паяных соединений необхо­ димо соблюдать следующее:

поверхности соединяемых деталей должны быть свободны от грязи, масла и толстых слоев окисла;

при пайке на большой площади необходимо сохранять опти­ мальный зазор между соединяемыми поверхностями;

применяемый способ пайки должен обеспечивать нагрев всей зоны пайки до температуры на 20—50° С, превышающей темпе­ ратуру плавления припоя;

припой должен обладать хорошей текучестью при темпера­ туре пайки и полностью заполнять зазор.

Для присоединения выводов методом пайки используют мяг­ кие легкоплавкие припои, в основном на индиевой, оловянной и свинцовой основах. Марки и химический состав припоев приве­ дены в табл. 10.

Рассмотрим технологический процесс пайки токоотводов в во­ дородной печи. Процесс пайки в печи ведется посредством нагре­ ва собранных в приспособлении деталей с заранее вложенным припоем, но без флюса, так как атмосфера водорода восстанав­ ливает окислы на поверхности деталей и припоя и предохраняет их от окисления в процессе пайки. После пайки детали в зависи­ мости от конструкции печи охлаждаются либо в холодной каме­ ре, либо вместе с печью, но в обоих случаях охлаждение ведется в среде водорода до температуры 100° С, чтобы не допустить появления на поверхности детали окалины. При папке в водо­ родной среде применяют припой в виде проволоки диаметром 0,3—1,2 мм или фольгу толщиной 0,05—0,1 мм.

Перед проведением процесса папки в печи необходимо тща­ тельно очистить соединяемые детали от загрязнений, собрать подготовленные к пайке детали в специальное приспособление (кассету) и одновременно заложить припой в места панки. Под­ готовленное к пайке приспособление следует поместить на ло­ дочку и загрузить в печь. Печь нагревают до определенной тем­ пературы, и соединение, подлежащее пайке, выдерживают в ра­ бочей камере печи до полного расплавления припоя. Рабочая температура печи должна замеряться и регулироваться автома­ тическим терморегулирующим прибором с термопарой. Затем включают охлаждение и охлаждают печь до температуры 100° С. После этого печь отключают и выгружают соединение.

На рис. 48 изображена схема присоединения вывода к крем­ ниевому кристаллу. Присоединение производится методом пайки в конвейерной водородной печи (см. гл. Ill, § 8) в специальных кассетах. Кристалл кремния представляет собой диодную мезаструктуру, поверхность которой покрыта металлическим слоем

70

(никель—золото). В гнезда кассеты помещают детали в такой последовательности: держатели, втулки кассеты, припойные шай­ бы, верхний вывод, грузы. Кассету закрывают крышкой и поме­ щают в конвейерную печь. Температура пайки 290—310° С. Ско­ рость движения ленты 2,5—3,5 см/мин. В качестве припоя используют трехслойную фольгу РЫп25—РЬ—РЫп25. После окончания пайки кассету разгружают, приборы тщательно осмат­ ривают под микроскопом. Основные дефекты, возникающие в процессе пайки: несимметричное расположение верхнего вывода относительно кристалла, недостаточное растекание 'припоя по

71