книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Пайка индиевыми припоями обеспечивает хорошую ста­ бильность паяного соединения, хотя механическая прочность его ниже по сравнению с оловянно-свинцовыми припоями.

При микропайке компонентов к микрополосковым пла­ там с использованием низкотемпературных припоев применя­ ют канифолесодержащие флюсы марки ФКСп и ФКТС. Оба эти флюса представляют собой спиртовые растворы канифо­ ли: флюс марки ФКТС содержит также 3 .. .3,5 % салицило­ вой кислоты и 1 .. Л , 5 %. триэтаноламина. Они не оказыва­ ют коррозионного действия на такие покрытия проводников, как серебро, олово, сплав олово - висмут, золото. Флюс мар­ ки ФКТС имеет большую активность по сравнению с флюсом ФКСп примерно в 1,1 - 1,3 раза.

Выбор типа припоя и флюса определяется наилучшими условиями смачивания при лужении и пайке навесных ЭРК. Эти условия, в свою очередь, определяются видом защитно­ го покрытия, температурой пайки и активностью флюса при температуре пайки.

В качестве защитного покрытия проводящих элементов применяют серебро, химически или гальванически осажден­ ное золото, сплав олово - висмут. Эти покрытия имеют раз­ личную смачиваемость мягкими припоями.

Основным условием пайки является подвод тепла к соеди­ няемым деталям, достаточного для плавления и растекания припоя.

К числу прогрессивных способов микропайки относятся пайка струей горячего газа, инфракрасным нагревом, ультра­ звуковая пайка с применением паяльника.

Пайка струей горячего газа осуществляется с использо­ ванием газовой насадки 1 (рис. 7.1), через которую пропуска­ ют инертный газ, нагреваемый при помощи нагревателя 2*

Основными параметрами процесса пайки струей горячего газа являются расход газа, его температура и время подачи.

Расход газа, составляющий до 0,2м3/ч, регулируется с помощью натекателя 8\ температура газа может изменяться от 150 до 700 °С, она регулируется изменяемой мощностью

Рис. 7.1. Схема устройства для пайки стру­ ей горячего газа:

1 - головка, для подачи горячего газа; & - нагре­ вательная спираль; 3 - трубопровод; 4 - источник питания; 5 - вентиль; 6 - электронный прибор - за­

датчик времени; 7 - измеритель скорости потока; 8 - натекатель; 9 - баллон с газом; 1 0 - нагрева­ тельный стол; 11 - плата; 1 2 - электрорадиокомпо­ нент; 1 3 - струя газа; Ц - защитный кожух

источника питания 4• Время импульса подачи газа (от 1 до 30 с) задается электронным прибором 6. Газ подается под избыточным давлением до 0,035 МПа от баллона 9; состав газа - азот, аргон, воздух или смесь этих газов.

Чтобы улучшить качество пайки и сократить время на­ грева, плата, к которой осуществляется пайка ЭРК, нагрева­ ется.

Способ пайки в струе горячего газа имеет ряд достоинств:

-позволяет создавать поток тепловой энергии на неболь­ шой площади (до 1 ... 1,5 мм2);

-отсутствует контакт инструмента с припоем, т.е. обес­ печивается чистота места пайки;

-дает возможность осуществления точного контроля па­ раметров процесса: температуры, времени;

-позволяет примененять процесс пайки ЭРК по програм­

ме;

-осуществляет процесс распайки для удаления или заме­ ны элемента;

-использует инертную среду для уменьшения окисли­ тельных процессов.

Одним из перспективных методов монтажа ЭРК являет­ ся пайка с применением инфракрасного излучения (НК). Ее достоинством является отсутствие контакта между рабочим инструментом и изделием, возможность регулировки темпе­ ратуры в рабочей зоне и осуществления групповой пайки и др.

В качестве источников ИК-излучення применяют гало­ генные лампы накаливания мощностью 0 , 6 . . . 0,8 кВт. Для исключения окислительных процессов в рабочую зону подает­ ся инертный газ, например аргон.

При ИК-пайке необходимо обеспечить определенную плотность теплового потока и уменьшить теплоотвод из зо­ ны пайки.

Одним из способов, применение которого позволяет сокра­ тить время нагрева соединяемых деталей и уменьшить тепло­ отвод, является нагрев стола, на котором установлена плата; температура нагрева стола устанавливается на 40 ... 50 °С ни­ же температуры плавления припоя.

Прочность паяных соединений зависит от времени ИКпайки, особенно для периода 3 . . . 10 с.

На рис. 7.2 приведена зависимость прочности микросо­ единений шариковых выводов, полученных пайкой ИК-нагре- вом. В процессе пайки необходимо обеспечить их прижим к плате при усилии, примерно равном 0,3 Н.

При времени пайхи более 10 с прочность соединений меня­ ется незначительно. Наибольшая прочность соединений полу­ чена при толщине гальванического покрытия Sn - Bi 10 мкм.

Ультразвуковая пайка паяльником применяется для сти­ мулирования процесса пайки (ультразвуковые колебания с ча­ стотой 5 9 ... 61 кГц при мощности 20 Вт). При этом способе

Рис. 7.2. Зависимость усилия F отрыва

шарикового вывода от контактной площад­ ки, покрытой слоем припоя Sn-Bi, от вре­ мени пайки г при толщине припоя: 3 (1), 5

(2) и 10 (3) мкм (температура нагрева сто­

ла 150°С)

возможно осуществление пайки без флюса, так как оксидные пленки разрушаются за счет ультразвуковых колебаний.

Существует взаимосвязь между силами поверхностного натяжения, образуемыми при расплавлении припоя, и усилием отрыва припаянного вывода (рис. 7.3).

При выборе материалов проводников МПП и контактируемых с ними материалов выводов ЭРК или различных ленточ­ ных перемычек (межплатных, от вывода СВЧ-соединителя, от обратной металлизированной поверхности платы к корпусу СВЧ-соединителя и др.), соединяемых способом пайки, необхо­ димо обеспечить условия, исключающие взаимную диффузию и растворение контактируемых материалов.

Применение никеля в качестве барьерного слоя, предот­ вращает взаимную диффузию материалов многослойных про­ водников; эффективно также его применение и в случае ис­ пользования различных внутриплатных или межплатных со­ единительных перемычек из материалов, содержащих медь и устанавливаемых способом пайки.

■ ' < I JSA_I_I—I—I—

-/,0-0,0-00-0,4-0,2 0 0,2 0,4 6-/0?H/M

Рис. 7.3. Зависимость усилия отрыва F вывода, припаянного припоем (состав: 62 % Sn; 36 % РЪ; 2 % Ag) к контактной площадке из пасты Pt - Pd, от поверхност­ ного натяжения а

Так, наличие никелевого покрытия на перемычках из фосфористой бронзы предотвращает взаимную диффузию ме­ ди, содержащейся в фосфористой бронзе, и олова в припое и образование интерметаллического соединения. Это повышает прочность и долговечность паяного соединения.

На рис. 7.4, а приведена зависимость усилия отрыва лен­ точной перемычки из фосфористой бронзы, имеющей никеле­ вое покрытие и без него, от проводника. Никелевое покрытие повышает также механическую прочность паяного соединения в условиях его эксплуатации при знакопеременных темпера­ турных циклах (рис. 7.4, б).

Основным материалом защитного покрытия многих ти­ пов тонкопленочных структур является золото. Причины его применения - отсутствие на поверхности оксидов, что гаран­ тирует высокое качество термокомпрессионных соединений, и отличная смачиваемость припоями. Однако золото растворя­ ется в припое, что изменяет свойства паяного соединения.

Способность контактного соединения “вывод ЭРК (или перемычка) - контактная площадка” образовывать прочное

Рис. 7.4. Зависимость усилия F отрыва бронзовой перемыч­

ки, припаянной припоем Sn-Bi, к контактной площадке Ti - Pd - Си - Ni - Au от времени нагрева г (а) и количества знакопеременных температурных циклов п (б) для перемы­ чек, имеющих покрытие Ni (1) и без него (2):

температура нагрева 125 °С (а); изменение температуры при испы­ тании -4 0 ... + 125 °С (б)

соединение зависит от ряда факторов: чистоты поверхности контактной площадки, времени расплавления припоя и пр.

Время расплавления припоя должно быть таким, чтобы обеспечить его полное растекание по поверхности контактной площадки и смачивание поверхности вывода. Одновременно при расплавлении припоя необходимо исключить нежелатель­ ные явления, связанные с передачей тепла к полупроводнико­ вому кристаллу и возможное взаимодействие припоя с верх­ ним слоем контактной площадки.

Зависимость усилия отрыва проволочной перемычки от времени расплавления припоя приведена на рис. 7.5. Из это­ го рисунка видно: у системы Ti - Pd - Си - Ni - Au практиче­ ски отсутствует зависимость усилия отрыва от времени пай­ ки. Это может быть связано со следующим обстоятельством: если время оплавления достаточно большое для полного рас­ творения золота, припой взаимодействует с пленкой никеля, лежащей под золотом, которая практически не растворяется в припое.

Все ГИС СВЧ должны быть рассчитаны на эксплуата­ цию в условиях, когда имеет место повышение температуры

Рис. 7.5. Зависимость усилия F отрыва

проволочной перемычки от времени рас­ плавления г припоя ПОС-61 для пленоч­ ных структур Ti - Pd - Au (1, 2) и Ti - Pd - C u - N i - A u (3, (1, 3 - с отжигом при 350 °С; 2, 4 - без отжига)

до + 8 5 °С и выше. При повышенных температурах происхо­ дят изменения в металлографической структуре и уменьшение усилия разрушения паяного соединения (см. рис. 7.4, а).

Способ пайки незаменим при монтаже безвыводных ЭР К, имеющих облуженные контактные площадки, таких как кон­ денсаторы типа К 10-17, резисторы типа С6-4, а также при монтаже достаточно толстых (0 ,1 5 ...0 ,2 мм) ленточных пе­ ремычек или ленточных выводов от ЭР К.

В силу недостатков процесса пайки (применение припоев, флюсов, необходимости отмывки флюса, значительной трудо­ емкости процесса и пр.) во многих случаях при монтаже эле­ ментов ГИС СВЧ применяют микросварку.

М и кр о свар ка . Процессы приварки осуществляются на оборудовании, принцип действия которого отличается в зави­ симости от физических явлений, лежащих в основе образуемо­ го микросварного соединения: контактное, термокомпрессион­ ное или ультразвуковое.

Так, при сварке на установке ЭМ-429, представляющей собой установку импульсной контактной сварки, качество

Рис. 7.6. Зависимость усилия отрыва F медной фольги тол­

щиной 20 мкм с серебряным покрытием от времени сварки г

(а) и времени нарастания - спада электрического импульса г*с (б) (подаваемое напряжение 0,95... 1,0 В)

микросварного соединения определяется подаваемым на элек­ трод напряжением, временем сварки (рис. 7.6, а), временем нарастания и спада импульса (рис. 7.6,6), усилием прижима электрода. В свою очередь, режимы сварки выбирают в зави­ симости от материала вывода и размеров (толщины и ширины или диаметра).

При времени сварки 2 5 ... 30 мс существует область не­ устойчивых значений F , а при г > 35 мс усилие отрыва практически не зависит от времени сварки (см. рис. 7.6, а). Область оптимальных значений времени сварки лежит в пре­ делах 40 ... 45 мс (см. рис. 7.6, б).

При использовании медной фольги целесообразно исполь­ зовать гальваническое покрытие из серебра, золота или спла­ ва S n -B i.

В ГИС СВЧ, эксплуатируемых в жестких условиях (боль­ шое число циклических изменений температуры), следует ис­ пользовать золотую фольгу толщиной 20 ... 30 мкм.

Прочность микросварного соединения, полученного тер­ мокомпрессионной сваркой, зависит как от параметров про­ цесса: давления электрода на проволочный вывод, температу­ ры (рис. 7.7) и времени сварки (рис. 7.8), так и от толщин покрытий вывода (рис. 7.9, а, 6).

Рис. 7.7. Зависимость усилия отры­ ва F золотой проволоки (025 мкм) от

температуры сварки iC для провод­ ников из Ti - Au (1); пасты (fi) (81 % Au, 19 % стекло; безфриттовой золо­

той пасты (5)

Рис. 7.8. Зависимость усилия отрыва F медной проволоки (040 мкм) от времени нарастания-спада электрического импуль­ са для различных покрытий проволоки:

Ni (0,3 мкм) - Au (3 мкм) (1) и Ni (7 мкм) - Au

(3 мкм) (fi) от контактной площадки (структура Ti - Pd - Au)

Рис. 7.9. Зависимость усилия отрыва F медного проводника

(040 мкм) от контактной площадки с тонкопленочной струк­ турой Ti - Pd - Au, имеющего различные покрытия Au (а) (толщина Ni 0,4 мкм) и Ni (б) (толщина Au 3 мкм)

Основными параметрами ультразвуковой сварки явля­ ются мощность, подводимая к электроду, амплитуда и часто­ та колебаний инструмента, давление инструмента, время и температура в зоне сварки.

Электрическая мощность, которая подводится к преобра­ зователю - важным параметр, влияющий на качество сварно­ го соединения; она определяет акустическую мощность, погло­ щаемую в зоне сварки. Акустическая мощность и амплитуда колебаний инструмента - взаимосвязанные параметры: уве­ личение амплитуды колебаний ведет к увеличению акустиче­ ской мощности в зоне сварки.

Для каждой пары свариваемых материалов существу­ ет оптимальное значение амплитуды колебаний. При малой амплитуде колебаний инструмента микросварное соединение или не образуется совсем, или качество его будет очень низ­ ким. При увеличении амплитуды колебаний прочность свар­ ного соединения возрастает, однако чрезмерное увеличение амплитуды может привести к разрушению свариваемых эле­ ментов.

На рис. 7.10 приведена взаимосвязь между усилием раз­ рушения микросоединенИй, полученных ультразвуковой свар­ кой, и амплитудой колебания инструмента. Как видно, проч­ ность сварных соединений зависит от направления приложе-