книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Рис. 7.10. Зависимость усилия разруше­ ния F микросварного соединения золо­

тая проволока (0 30 мкм) —толетошхеноч- ный проводник (81 % Au; 19 % стекло) от амплитуды ультразвуковых колебаний (,

приложенных параллельно (1) и перпен­ дикулярно (2) плоскости платы

ния ультразвуковых колебаний. Металлографические иссле­ дования показали, что в зоне сварки при вибрации, параллель­ ной плоскости платы, имеет место более глубокое проникнове­ ние взаимодействующих материалов, т.е. золота в пасту. От частоты колебаний инструмента зависит удельное переходное электросопротивление микросварного соединения (рис. 7.11).

При использовании широкополосных ультразвуковых ко­ лебательных систем можно выбрать оптимальные режимы микросварки, обеспечивающие высокую механическую проч­ ность и минимальное значение удельного переходного элек­ тросопротивления микросварного соединения.

Для определенной сварочной установки частота является постоянной величиной, которая изменяется в узких пределах.

На прочность соединения при ультразвуковой сварке вли­ яет также усилие сжатия, которое обусловливает возникнове­ ние тангенциальных напряжений в месте сварки. При недо­ статочном усилии не возникает сцепление между инструмен-

Рис. 7.11. Зависимость удельного электросо­ противления р (1) микросварного соединения

алюминиевой проволоки (050 мкм) с алюми­ ниевой контактной площадкой и усилия ее от­ рыва F (2) от соотношения / / / рвв (/ и /рв» ра­

бочая и резонансная частоты соответственно)

том и свариваемой деталью - сварное соединение не образу­ ется. При чрезмерном усилии происходит повышенная дефор­ мация привариваемой проволоки, прочность соединения сни­ жается.

Время сварки зависит от характеристик свариваемых ма­ териалов и, прежде всего, их твердости и толщины, и электри­ ческой мощности. Уменьшение времени не позволяет полному протеканию процесса сваривания материалов; прочность та­ кого соединения мала. При длительном времени сварки проис­ ходит увеличение общей деформации, появление трещин, что также приводит к уменьшению прочности сварного соедине­ ния.

Поэтому для каждой пары свариваемых материалов и других параметров - мощности, амплитуды и частоты коле­ баний инструмента и его давления - следует установить опти­ мальное время сварки.

На рис. 7.12 показана зависимость прочности сварных со­ единений, полученных ультразвуковой сваркой, от длительно­ сти колебаний и температуры в зоне сварки.

Рис. 7.12. Зависимость усилия отрыва F

алюминиевой проволоки (0100 мкм) от алюминиевой контактной площадки при длительности колебаний г и при темпе* ратуре в зоне сварки: 20 (I), 150 (£), 220

($) и ЗООМ °С

Соединения вывода и контактной площадки должны быть прочными, т.е. выдерживать определенные усилия разруше­ ния (табл. 7.3).

Рекомендации по выбору способа монтажа различных ви­ дов ЭРК, полупроводниковых кристаллов и перемычек приве­ дены в табл. 7.4.

Та б л и ц а 7.3. Минимальные допустимые значение усилий разрушения микросварных соединений

* Золото Зл 999,9.

Одним из факторов, ухудшающих качество микросварного соединения, является загрязненность поверхности соединяе­ мых элементов - пленки и проволочных выводов. Наибольшее загрязнение поверхности вносят углеродо- и серосодержащие соединения; их толщина составляет до 6 нм. Эффективным средством очистки поверхности является плазменная обработ­ ка или ионное травление.

Втабл. 7.5 приведены поверхностные загрязнения плат до

ипосле очистки.

Та б л и ц а 7.5. Виды поверхностных загрязнении плат

П р и м е ч а н и е . Сведения приведены в относительных единицах.

Плазменная очистка сформированных пленочных элемен­ тов должна проводиться на подложках, не имеющих фоторезистивного покрытия, в противном случае его наличие и разло­ жение в процессе бомбардировки приведет к дополнительному загрязнению поверхности.

Варьируемыми параметрами процесса плазменной очист­ ки поверхности являются продолжительность очистки, ско­ рость потока газа, значение высокочастотной мощности.

На рис. 7.13 приведены зависимости прочности сварных соединений от продолжительности процесса очистки.

Между подводимой мощностью и временем очистки суще­ ствует взаимосвязь: с уменьшением мощности время очист­ ки увеличивается. Выбор оптимальных значений параметров можно провести по графику рис. 7.14. Как видно, имеется до­ статочно широкая область варьирования параметрами плаз­ менной очистки: временем от 1 до 10 мин, подводимой мощ­ ностью от 25 до 150 Вт. Ограничения связаны лишь со зна­ чением подаваемой мощности: при мощности, превышающей 150 Вт, наблюдается незначительное распыление металличе­ ских поверхностей пленочных контактных площадок.

раций процесса корпусирования зависят электрические и экс­ плуатационные свойства изделий. Корпусирование включает ряд технологических операций по механической установке и электрическому объединению отдельных элементов ГИС СВЧ: плат, СВЧ-соединителей, собственно корпуса, в единую элек­ трическую цепь и механически прочную конструкцию. В про­ цессе объединения элементов создаются новые электрические соединения, определяющие электрические характеристики го­ тового ГЙС СВЧ; одновременно от механической прочности этих соединений зависит надежность эксплуатации ГИС СВЧ.

Вступающие в процесс корпусирования ранее создан­ ные элементы - платы с навесными ЭРК или без них, СВЧсоединители - образуют группу основных функциональных элементов. Их электрические характеристики формируют ха­ рактеристики ГИС СВЧ в целом. Другую группу образуют вспомогательные элементы: коммутационные перемычки и экранные перегородки. Конструкция этих элементов и тех­ нология их установки и монтажа обеспечивают выполнение требуемых функций основными элементами.

Впроцессе сборки и монтажа основных элементов воз­ можно возникновение неточностей их размещения и “стыков­ ки” друг с другом. Это приводит к искажению электрических характеристик ГИС СВЧ.

Впроцессе корпусирования ГИС СВЧ применяют три ви­ да технологических операций: механическую установку, пай­

ку и сварку.

М ехан и ческая установка. Включает следующие опе­ рации: установки плат на рамку, рамок, СВЧ-соединителей и других элементов в корпус, установку крышек. Основ­ ным требованием, предъявляемым к этим операциям, явля­ ется точность совмещения сопрягаемых элементов.

П ай к а и свар ка . В процессе корпусирования пайку при­ меняют для соединения платы с рамкой или корпусом, СВЧсоединителей с корпусом. Соединение плат между собой и с внутренним проводником СВЧ-соединителей при помощи коммутационных перемычек выполняют способами пайки или сварки.

Рис. 7.15. Многопозиционное приспособление для мон­ тажа плат на рамку:

Ï - корпус приспособления; 2 - рамка; 3 - пластина припоя; 4 ~ плата; 5 - прижим; 6 - штифт; 7 - винт

Пайку плат к промежуточной титановой рамке проводят низкотемпературными припоями. Для достижения точности совмещения платы и рамки и производительности процесса сборки они устанавливаются в многопозиционное приспосо­ бление (рис. 7.15), обеспечивающее групповую пайку. Перед установкой платы на рамку проводят их облуживание припо­ ем ПОСК-50-18. Толщина нанесенного слоя составляет око­ ло 0,1 мм, при этом неравномерность слоя припоя не должна превышать 0 ,0 3 ... 0,04 мм - в противном случае происходит перекос плат и ухудшение качества паяного шва (появляются поры, места “непропаев”). Наличие этих дефектов приводит к образованию паразитных емкостей.

Сборка плат 4 и рамок 2 осуществлялась следующим образом. В отверстия рамок ввинчиваются винты 7, предо­ храняющие их от затекания припоя и удерживающие рам­ ку в определенном положении. Рамка устанавливалась в па­ зы основания корпуса 1 на штифты которые обеспечива­ ют ей определенное положение. На рамки помещается при­ пой, например ПОСК-50-18, в виде тонкой пластины толщиной 0 ,0 8 ... 0,1 мм с нанесенным на обе поверхности слоем флю­ са ФКДТ; сверху на припой устанавливается плата 4• Со­ бранный пакет плата - припой - рамка сжимается под давле­ нием 1Н /см2 при помощи прижима 5 (на рис. 7.15 он пока­ зан условно). Собранное приспособление затем помещается в

термошкаф. Контроль температуры нагрева осуществляется термопарой, установленной в приспособлении.

Наиболее качественная пайка получается при температу­ ре нагрева 175... 185°С, что обеспечивает равномерное рас­

тем. Охлаждение до комнатной температуры происходит за 1,5 ... 2 ч. Скорость охлаждения паяного шва оказывает влия­ ние на формирование его структуры, пористость и внутреннее напряжение. С целью повышения производительности этой операции возможно применение конвейерных печей. Перспек­ тивное применение имеют также припойные пасты.

На платы с рамкой затем устанавливают навесные ЭРК. Перед монтажом плат в основание корпуса должны быть уста­ новлены СВЧ-соединители (рис. 7.16, а), низкочастотные вво­ ды (рис. 7.16, б) энергии и штенгель.

Рис. 7.16. Конструкции СВЧ-соединителж (а) и низко­ частотного ввода (б):

1 - наружная втулка; 2 - фторопластовая втулка; 3 - упругая цанга; 4 - внутренний проводник; 5 - стеклянный изолятор; 6 -

вспомогательная втулка; 7 - корпус

При пайке СВЧ-соединителя и низкочастотного ввода основным условием для обеспечения электрических характе­ ристик и надежности в эксплуатации СВЧ-соединителей и низкочастотных вводов является правильная их установка и монтаж в корпус.

Монтаж низкочастотных вводов может быть проведен с использованием припоев любой марки, так как его металли­ ческие детали и стеклянный изолятор выдерживают высокие (600... 700 °С) температуры нагрева.

Монтаж СВЧ-соединителя имеет свои особенности и дол­ жен быть выполнен более тщательно. При установке СВЧсоединителей в корпус способом пайки необходимо применять припой, температура пайки которого не превышала бы 220...

... 2 3 0 ° С. Эта температура является критической, сверх ее происходит разрушение контактного соединения цанга - про­ водник. Особенности выполнения работ по сборке и монта­ жу СВЧ-соединителей не всегда позволяют нагреть весь кор­ пус до температуры пайки. Для локального нагрева корпу­ са и расплавления припоя необходимо использовать паяльник большой мощности (200... 240 Вт), проходя им последователь­ но участки вокруг соединителя.

Пайка СВЧ-соединителей непосредственно в корпус имеет

вается и припаивается к втулке, а затем осуществляется при­ пайка ее к корпусу. Использование паяльника торцевого типа позволяет ускорить процесс пайки и улучшить качество пая­ ного соединения. Паяльник состоит из мощного нагреватель­ ного элемента 1, в который устанавливается насадка 2. На­ гревательный элемент вместе с насадкой имеет возможность