1

Технология пайки стеклом сводится к нанесению суспензии (пасты) стеклянного порошка в деионизованной воде на очищенную поверхность, сжатию соединенных деталей в приспособлении-кассете, сушке и последующему оплавлению в печи в контролируемой атмосфере.

Пайка металлическими сплавами обеспечивает высокую электропроводность соединения, механическую прочность, хорошее согласование по ТКР. Благодаря высокой теплопроводности и малой теплоемкости металлических сплавов, необходимое время для плавления и получения соединения достаточно мало, что делает целесообразным выполнение этих операций на специальных установках последовательного присоединения кристаллов с высоким уровнем механизации и автоматизации.

Пайка мягкими припоями допускает при необходимости демонтаж припаянного кристалла. В то же время относительно низкая температура плавления припоя ограничивает технологическую температуру на последующих операциях присоединения выводов и герметизации микросхемы.

Типы корпусов и технология их производства

Керамические корпусы обычно применяют для герметизации современных приборов, где требуется максимальная надежность. Процесс формирования многослойной заготовки из тугоплавкой керамики начинается с подготовки керамической пасты и протекает в следующей последовательности:

Отливка

Формирование заготовки корпуса

Трафаретная печать

Образование многослойной структуры

Перфорирование

Спекание

На первом этапе готовят жидкую пасту из керамического порошка и жидкой компоненты (растворитель и смола-пластификатор). Затем из этой пасты отливают тонкие листы, пропуская над ней сглаживающее лезвие. После сушки листы разрезают в соответствии с необходимыми размерами. Далее механическим путем пробивают в них сквозные отверстия (отверстия в диэлектрических слоях, через которые осуществляются межкомпонентные соединения) и углубление для кристалла, наносят на поверхность проводящие дорожки (обычно пасту на основе порошка вольфрама) и заполняют сквозные отверстия металлом. Некоторые пластины спрессовывают друг с другом с помощью зажимного приспособления с точным совмещением. Готовая структура подвергается отжигу при температуре 1600°С для образования монолитного спеченного материала.

После отжига пластина готова для заключительных операций по присоединению выводов и металлизации. Для подготовки к пайке выводов на вольфрам наносят никель.

Выводы изготавливают из сплава Fe-Ni-Co, называемого коваром, пайку выводов осуществляют эвтектическим сплавом серебро-медь. Все внешние металлические поверхности подвергаются гальванической или электролитической обработке (обычно наносят золото на никель) для повышения качества соединения и защиты от окружающей среды. Многослойные керамические корпусы могут иметь размеры до 100x100 мм с допуском ±0.5% и содержать до 30 слоев.

Технология производства керамических корпусов очень эффективна для конструирования сложных корпусов с большим числом сигнальных, заземляющих,

питающих, соединительных и герметизирующих слоев. Однако ей присущи три недостатка: трудность получения необходимых допусков размера корпуса из-за большой

усадки во время обработки; высокая диэлектрическая проницаемость керамики ( = 9,5) и

недостаточная теплопроводность Al2O3. Проблема допусков затрудняет использование

краевой области пластины, высокая диэлектрическая проницаемость оказывает вредное воздействие на емкостную нагрузку сигнальной линии. Замена Al2O3 на BeO значительно

улучшает тепловые характеристики и уменьшает диэлектрическую проницаемость корпусов.

Технология производства прессованных пластмассовых корпусов

Пластмассовые корпусы обычно применяют для приборов, где преобладающим фактором является стоимость и не требуется высокая герметичность. Для успешного изготовления формовочной смеси необходимо выбрать соответствующий материал для прессования, который удовлетворял бы требованиям надежности прибора, и

надлежащим образом управлять самим процессом прессования. Кроме того, большое значение имеет полная автоматизация процесса сборки (в частности, монтажа кристалла),

выполнения проволочных соединений и операции прессования.

Двумя основными типами приборов в пластмассовых корпусах являются прибор с корпусом, прессуемым из пластмассы после сборки, смонтированный в плоском корпусе с двухрядным расположением вертикальных выводов, и прибор с предварительно спрессованным из пластмассы корпусом, например, кристаллодержатель. Для герметизации приборов с прессованием корпуса после сборки используют термореактивные кремнийорганические соединения и эпоксидные смолы; при этом запрессовка комплекса выводная рамка-кристалл производится после присоединения кристалла к выводной рамке. Процесс прессовки пластмассой после сборки не является достаточно технологичным. Для того чтобы избежать контакта кристалла и его проводников или соединения на ленточном носителе с вязкой формовочной смесью,

была разработана технология изготовления предварительно спрессованного из пластмассы корпуса. Согласно этой технологии, предварительно прессуют корпус, а затем

выполняют монтаж кристалла и межкомпонентные соединения. Для прессования могут использоваться термореактивные материалы или термопластичные полимеры, такие как полифениленсульфид.

Для герметизации ИС обычно используют эпоксидные смолы и кремнийорганические соединения. Эпоксидные новолачные клеи в настоящее время являются более предпочтительными из-за их термостойкости, связанной с тем, что каждая повторяющаяся группа содержит эпоксидный радикал. В процессе синтеза смолы в качестве побочного продукта образуется хлорид натрия. Ионы натрия и хлора оказывают вредное воздействие на надежность прибора, и поэтому, эти побочные продукты должны быть тщательно отделены от смол перед составлением искомой формовочной смеси.

40 Электрический монтаж кристаллов ИС на коммутационных платах.

Электромонтаж бескорпусных кристаллов ИС заключается в электрическом соединении контактных монтажных площадок на поверхности кристалла с контактными монтажными площадками на поверхности коммутационной платы. Обычно кристалл предварительно фиксируется на плате с помощью клея или припоя. Во втором случае групповая пластина до разделения ее на отдельные кристаллы должна быть металлизирована со стороны, противоположной структурам, металлом, который хорошо смачивается припоем.

В производстве нашли применение три способа электромонтажа: с помощью гибких проволочных перемычек круглого сечения (проволочный монтаж), с помощью гибких ленточных перемычек прямоугольного сечения (ленточный монтаж) и с помощью жестких объемных выводов, предварительно выращенных на кристалле.

Достоинством проволочного монтажа является возможность размещения перемычек при произвольном расположении любого количества монтажных площадок на коммутационной плате, т.е. гибкость в процессе ее конструирования. Недостаток заключается в высокой трудоемкости монтажа, т.к. сварные соединения можно получать только последовательно, индивидуально.

Отказ от проволоки и переход к плоским ленточным перемычкам позволяет изготовить их заранее и одновременно вне кристалла методом избирательного травления

(фотолитографии) ленты, однако взаимное расположение перемычек должно быть жестко предопределено расположением монтажных площадок на кристалле и плате.

Использование ориентированных ленточных перемычек позволяет существенно снизить трудоемкость монтажа. Для групповой сварки могут быть использованы термокомпрессионный и ультразвуковой способы.

К недостатку следует отнести ограничения, накладываемые на конструкцию коммутационной платы и самого кристалла по числу и характеру расположения монтажных площадок. Для смягчения этого недостатка приходится разрабатывать и изготавливать стандартный ряд систем перемычек, отличающихся числом и шагом расположения.

Жесткий объемный вывод - на кристаллах заранее и одновременно до разделения групповой пластины формируются жесткие объемные выводы. В первом приближении они представляют собой выступы полусферической формы высотой порядка 60мкм и покрыты припоем.

В отличие от проволочного и ленточного монтажа объемные выводы соединяют с площадками платы пайкой, а кристалл при этом оказывается в перевернутом положении,

т.е. структурами вниз. К достоинствам монтажа с помощью жестких объемных выводов относится: сокращение числа соединений вдвое, что повышает надежность изделия при эксплуатации; сокращение трудоемкости за счет одновременного присоединения всех выводов; уменьшение монтажной площади до площади, занимаемой кристаллом;

отсутствие необходимости предварительного механического крепления кристалла; малая протяженность межкомпонентных соединений, что сводит к минимуму величину их индуктивности.

Ограничением для использования данного метода является необходимость применения коммутационных плат на основе тонких пленок с использованием

фотолитографии, т.е. высокого разрешения, т.к. размеры площадок и шаг их

расположения на плате и кристалле должны совпадать.

Специальные вопросы герметизации

Очистка поверхности кристалла

Наиболее критичной стадией, которой подвергается кристалл, является очистка перед монтажом, герметизирующим покрытием и окончательной герметизацией крышки корпуса. Процесс очистки должен быть химически совместим с металлическими слоями на поверхности кристалла. При очистке обычно преследуют две цели. Первая - удаление органических частиц, которые могут повлиять на качество соединения; для этого обычно требуются органические растворители. Вторая - удаление ионов, которые вызывают коррозию во время эксплуатации прибора или приводят иногда к накоплению поверхностного заряда. Вода является превосходным растворителем для ионных частиц.

Герметизация крышки корпуса

Основной целью герметизации корпуса является защита от внешних загрязнений во время функционирования прибора. Любые загрязнения, присутствующие на поверхности кристалла, должны быть удалены до приемлемого уровня перед герметизацией или во время этой операции. Корпусы могут быть герметизированы стеклом, металлами или полимерами. Использованное здесь определение герметичности подразумевает не только выдерживание испытаний корпусом на вакуумную утечку, но и исключение возможности загрязнения из окружающей среды в течение длительного времени.

Почти для всех высококачественных корпусов герметизацию выполняют стеклом или металлом. Ранее герметизацию стеклом использовали для керамических плоских

Альфа-частицы испускаются при распаде атомов урана и тория, содержащихся в качестве примесей в материале корпуса. Ужесточение принципов проектирования предполагает, что новые приборы будут еще более чувствительны к воздействию альфа-

частиц. Поскольку альфа-частицы имеют низкую проникающую способность в твердых телах, в качестве покрытия кремниевого кристалла, поглощающего альфа-частицы,

предложены материалы с низким уровнем испусканием альфа-частиц. Уровень

испускания альфа-частиц, равный 0,001 частица/(см2·ч) (наименьший ожидаемый уровень), достигнут при использовании в качестве покрытия кристалла кремнийорганических соединений.

Проблемы герметизации

1.Быстрое увеличение числа элементов на кристалле

2.Расширение функциональных возможностей ИС

Быстрое увеличение числа элементов на кристалле ИС и улучшение рабочих характеристик этих элементов создают основные трудности для проектировщиков корпусов. Расширение функциональных возможностей ИС, естественно, приводит к увеличению числа входов-выходов на кристалле, и, следовательно, к возрастанию числа выводов корпуса. Для кристаллов с повышенным числом входов-выходов требуются корпусы большего размера, которые часто рассеивают большое количества тепла.

Микросварка

К микросварке прибегают при проволочном и ленточном монтаже. Ввиду малых толщин соединяемых элементов (порядка 1,5мкм для площадки и несколько десятков мкм для перемычки) сварка должна выполняться без расплавления соединяемых

элементов. Таким образом, все разновидности микросварки представляют собой сварку

давлением.

В производстве нашли применение следующие разновидности микросварки:

термокомпрессионная сварка (ТКС); сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН);

электроконтактная односторонняя сварка (ЭКОС); ультразвуковая сварка (УЗС) (рис. 9).

Основная тенденция развития методов микросварки - локализация тепла в зоне соединения и уменьшение теплового воздействия на изделие в целом, что позволяет повысить температуру сварки и применять для перемычек менее пластичные материалы

(например, медь). Независимо от вида микросварки в случае проволочного монтажа инструмент должен быть снабжен "капилляром" для направления проволоки под рабочую часть инструмента.

При ТКС (рис. 9,а) нагреву подвергают все изделие или инструмент (или то и другое), обеспечивая температуру порядка 400°C.

В случае СКИН (рис. 9,б) разогрев зоны соединения осуществляется только в момент сварки. Это достигается V-образной конструкцией инструмента, через который пропускается амплитудно-модулированный импульс тока с несущей частотой 0,5-1,5кГц.

В результате температуру в зоне сварки можно повысить до 650°C.

Инструмент для ЭКОС (рис. 9,в) состоит из двух частей, разделенных изолирующей термостойкой прокладкой, которые являются составной частью электрической цепи. Последняя замыкается лишь при контакте с перемычкой. Таким образом, импульс тока проходит через свариваемый участок перемычки, причем тепло выделяется в зоне контакта. Температура в зоне сварки может быть повышена до 800°C,

что дает возможность применять медные перемычки.