книги / Микроэлектроника толстых пленок

крепления выводов транзисторов, где имеется достаточно большая поверхность. Ультразвуковое соединение фи­ зически сходно с соединением клином и полученный контакт выглядит также. Различие заключается в том, что энергия подводится в форме ультразвуковых коле­ баний, а не в результате нагрева. Так как система не нагревается, образование окисла алюминия менее ве­ роятно, и, следовательно, можно использовать алюми­ ниевую проволоку.

Соединение ультразвуком первоначально стало при­ меняться в полупроводниковой промышленности, когда исследования показали, что в большинстве случаев от­ казы полупроводниковых устройств были связаны с об­ разованием интерметаллических соединений золото — алюминий, которые приводили к низкой механической прочности — явление, известное как «пурпурная чума». Это соединение имеет дополнительное преимущество при производстве гибридных схем, где осуществляется от 50 до 100 соединений. Если использовать в этом слу­ чае термокомпрессию, то пребывание активных элемен­ тов при повышенных температурах достаточно длитель­ ное время может привести к деградации их характе­ ристик.

При соединении ультразвуком два одинаковых или разных металла соединяются с помощью энергии коле­ баний высокой частоты, подводимой к поверхности со­ единения (фиг. 5.3). Импульсы переменного тока нуж­ ной частоты подаются на преобразователь, который преобразует мощность переменного тока в акустическую мощность той же частоты. Акустическая мощность пе­ редается через промежуточную систему к соединяемым объектам, которые прижимаются друг к другу относи­ тельно небольшим статическим усилием. Коэффициент полезного действия передачи акустической энергии в зоне контакта (тепловая мощность в зоне сварки, отне­ сенная к потоку энергии подводимой УЗ-волны) состав­ ляет от 15 до 30%.

Соединение возникает в том случае, если наконечник,

Комбинированные статические и динамические силы вы­ зывают напряжения в металле, которые приводят к пла­ стической деформации в зоне соединения. В результате этого пленки окислов счищаются и возникает связь в твердой фазе. Идеальной для соединения будет прижи­ мающая сила, которая обеспечивает максимальную пе­ редачу сдвиговых колебаний к поверхности соединения.

Фиг . 5.3. Соединение ультразвуком.

Сочетание прижимающей силы с переменным сдвиго­ вым напряжением обеспечивает в проволоке и пленке оптимальные условия для соединения. Конструкция устройства должна быть достаточно жесткой, чтобы свя­ зывающие силы действовали преимущественно на по­ верхность проволоки и не было рассеяния энергии в не­ сущих частях устройства. Для образования соединения ультразвуковым методом необходимо определенное ко­ личество энергии. Избыток акустической энергии может вызвать повреждение кремниевых чипов, а требуемой связи может не произойти.

Все методы, описанные выше, используются при сборке гибридных схем. Наибольшее распространение получил метод термокомпрессионного соединения с по-

Таблица 5.4

Проверка сварки (соединение проволок А1—Si ультразвуковым методом)

мощью шарика. Преимущество ультразвукового метода заключается в том, что он не требует нагрева, а время, затрачиваемое на одну операцию, на 50% ниже, чем для термокомпрессии. В дополнение к этому испытания на надежность показали, что соединения ультразвуком в 3 раза надежнее, чем соединения с помощью шарика. Существенный недостаток этой технологии состоит в том, что требуются более гладкие поверхности площадок, чем для соединения термокомпрессией. Некоторые дефекты, возникающие при ультразвуковом методе, указаны в табл. 5,4.

5.4. Закрепление подложек

При использовании технологии проволочных соедине­ ний подложка обычно прикрепляется к корпусу. Это делается после присоединения активных элементов и емкостей к подложке до выполнения проволочных со­ единений. Таким путем за одну операцию можно произ­ вести все проволочные соединения: активных элементов с подложкой и подложки с выводами корпуса. Обычно используют два метода закрепления подложек: пайка твердым припоем и приклеивание эпоксидной смолой. Последний способ используется чаще. Если требуется значительное рассеяние тепла, то можно использовать эпоксидную смолу, наполненную серебром. Если для герметизации корпуса используется твердый припой, то применение эпоксидной смолы для приклейки подложек может создать трудности. Эпоксидная смола при высо­ ких температурах выделяет газ, в результате чего полу­ чается некачественная герметизация (из-за загрязнения поверхности герметизации и парциального давления газа, выделившегося из эпоксидной смолы).

Другая технология, широко используемая для при­ крепления подложек, основана на металлизации низа подложки и дна корпуса. Недостаток этого процесса состоит в том, что дополнительная металлизация повы­ шает стоимость схемы. Кроме того, возникает опасность повреждения толстопленочной схемы и активных элемен­ тов при высоких температурах в процессе пайки,

щее при корпусировании полупроводниковых устройств. Этот метод соединения не требует дорогого вакуумиро­ вания и обеспечивает более высокое качество монтажа, чем при использовании проволочных соединений. Кроме того, он позволяет весьма экономично соединять с внешними цепями кремниевые схемы с большим числом выводов. Эта технология особенно важна для гибридных схем, так как она позволяет устранить ограничения, ко­ торые сейчас накладываются на площадь поверхности корпусирования.

Связь по методу перевернутого чипа обеспечивает электрическое и механическое соединение двух элемен­ тов схемы. Материал или материалы соединительных шариков и столбиков должны быть совместимы с мате­ риалами обоих связуемых элементов. Шарики и столби­ ки должны быть удобными для надежного электрического

имеханического соединения независимо от того, исполь­ зуется ли для соединения ультразвук, термокомпресси­ онная сварка или пайка. Они должны обладать доста­ точной деформируемостью, чтобы под действием сил, приложенных к чипу для соединения, компенсировать недостаточную плоскопараллельность. Желательно так­ же, чтобы выполнялись следующие условия: 1) шарики

истолбики должны быть недорогими, удобными для использования и легко деформироваться; 2) не следует жестко придерживаться единого метода изготовления и типа материалов (в этом отношении желательно обес­ печить себе определенную гибкость, если только условия изготовления не оговорены заказчиком); 3) желательно, чтобы после соединения можно было выделять элементы, не подвергнутые деструкции, или по меньшей мере эле­ менты, пригодные для использования с наибольшей вероятностью.

Для соединения шариков и столбиков применяются два способа. Один из них состоит в деформации шари­ ков до тех пор, пока не образуется контакт. Он исполь­ зуется при соединении перевернутого чипа с помощью ультразвука или термокомпрессии. Важно, чтобы шарик

деформировался в основном за счет пластического тече­ ния, а не упругой деформации, так как упругие дефор­ мации могут вызвать появление растягивающих усилий в соединении после снятия внешней нагрузки, что де­ лает соединение менее надежным из-за снижения сопро­ тивления внешним силам, стремящимся разрушить связь. Кроме того, растягивающие напряжения могут привести к деформации полупроводникового кристалла и изменению сопротивления и характеристик контактов.

Другой метод соединения основан на том, что кон­ тактная фаза в определенный период процесса соедине­ ния становится жидкой. Для этого обычно используют­ ся эвтектические припои свинец — олово, золото — олово, золото — германий, золото — кремний. Припой может наноситься на шарики или контактные поверхности или на то и другое. Важно, чтобы качество припоя было та­ ким, чтобы он обладал нормальной текучестью, даже без приложения внешнего давления и хорошо заполнял пустоты. Максимально возможная деформируемость требуется и для компенсации недостатков в качестве соединяемых поверхностей. Важно также, чтобы припой не образовывал перемычек и не создавал опасности ко­ роткого замыкания соседних шариков. В наиболее ран­ них, хорошо зарекомендовавших себя конструкциях использовались шарики из золота или меди диаметром 0,08 мм, помещенные на кремниевые пластины в отвер­ стиях окисла. Шарики из припоя (фиг. 5.4) могут быть получены по следующей технологии.

1. Вначале на пластину наносится обычный метал­ лизированный слой из алюминия, покрытый сверху сло­ ем кварца толщиной 1 мкм. Используя стандартную тех­ нологию фотолитографии, в кварце протравливают окна

том 600 А никеля, причем для испарения хрома и никеля используется электронная пушка.

2. Хром и никель удаляются с поверхности между контактными площадками. Пластину помещают в

148 ГЛ А ВА 5

никелевый электролит и на нее наращивается слой ни­

он должен быть полностью удален. При дополнительном нагревании пластины припой вновь оплавляется, флюс собирается на поверхности и можно произвести допол­ нительную операцию очистки от флюса. Этот процесс

Фиг. 5.4. Сечение шарика припоя.

/ —пленка окисла; 2 —кремний; 5 —алюминий; 4 —стекло; 5 —хром; £ —медь; 7 —золото; 5 —Sn — Sb.

можно повторить несколько раз, что особенно желатель­ но для МОП-структур, которые больше чем другие эле­ менты чувствительны к загрязнению флюсом.

4. Для предотвращения случайного загрязнения флю­ сом подложку необходимо очистить. В связи с этим также не рекомендуется использовать флюс для при­ клеивания чипов перед их помещением в печь. Целесо­ образнее устанавливать их с помощью ультразвукового метода.

Электроосаждение считается лучшим способом фор­ мирования золотых столбиков на подложке. Соединение всех контактных поверхностей осуществляется посред­ ством временного электрода, который может быть на­ пылен золотом. Перед напылением золота наносится пленка стекла толщиной ~ 1 мкм путем напыления или осаждения из газовой фазы.

После нанесения стекла и золота в них протравли­ вают, используя фотолитографическую маску, окна для открытия первоначальной золотой поверхности контакта. Нерез окна в фоторезисте золото электролитически осаждается до необходимой толщины. После осаждения фоторезист тщательно удаляется химическим путем. На­ пыленные временные электроды стравливаются. Никакой защиты перед травлением не требуется, поскольку плен­ ка золота толщиной менее 1 мкм затем удаляется, а столбик осаждался с учетом этого слоя. При формиро­ вании столбиков напылением лучше всего использоватьалюминий, так как при использовании золота необхо­ дима дополнительная процедура утилизации распылен­ ного в камере золота. Напыление через маску на плас­ тину приводит к накапливанию материала на маске и искажению ее формы, а также затрудняет отделение ма­ ски от пластины после напыления, что может привести к повреждению столбика или пластины. Рекомендуется производить напыление на незащищенную пластину и затем стравливать ненужный металл. Перед напы­ лением алюминия должен быть нанесен слой стекла толщиной 1 мкм с последующей операцией травления, как в других процессах. В том случае, когда алюминий напыляется на алюминий или какой-либо другой металл на металлизированные алюминием планарные элементы, необходимо, чтобы все сопротивления были предохра­ нены от металлизации и не могли образовать с ней кон­ такта. Кроме того, на алюминии образуется окисная пленка, которая должна быть удалена в процессе по­ следующего соединения. Обычная процедура оплавления (минутная выдержка при 570° С в сухом азоте) не уда­ ляет эту пленку. Необходим какой-либо дополнительный метод удаления пленки перед напылением для улучше­ ния омического контакта с алюминием.

Имея столбики на подложке, можно использовать технологию перевернутого чипа для соединения различ­ ных микросхем. Кроме того, по этой методике могут быть присоединены другие планарные дискретные эле­ менты, так как все выводы удобно расположены на верхней поверхности. Эта ситуация является обычной для интегральных схем, но многие транзисторы имеют