книги / Микроэлектроника. Гибридные интегральные функциональные устройства

Следует отметить, что после надрезания пластины ее подвергают жидкостной очистке с последующей сушкой; часто для этого применяют и специальные щетки, особенно для лазерного разделения, так как для устранения послед­ ствий попадания продуктов испарения на поверхность пла­ стины ее защищают органическими пленками, которые тре­ буют последующего тщательного удаления.

Наибольшее применение в последнее время находит ме­ тод механического фрезерования с помощью специальных дисков, толщиной 19—60 мкм, имеющих высокую скорость вращения (36 000—50 000 об/мин). Образующаяся в процес­ се фрезерования кремниевая пыль легко удаляется струей деионизованной воды, подающейся на поверхность пла­ стины.

Установка (крепление) кристаллов ИМС на коммута­ ционную плату ГИФУ зависит от необходимости электрического соединения основания посадки с телом кри­ сталла и эффективного теплоотвода. Если такая необходи­ мость возникает, то для крепления кристаллов используют­ ся методы пайки. В других случаях применяются приклеи­ вание, причем для создания теплоотвода в состав клея вводят порошки диэлектриков с высокой теплопроводно­ стью (А120 3, ВеО), а для электрического контакта — по­ рошки благородных металлов с минимальным объемным удельным сопротивлением (серебро, золото).

Установка навесных элементов на коммутационную плату во многом зависит от способов присоединения выводов к кон­ тактным площадкам, например пайка выводов микроконден­ саторов и микрорезисторов не требует дополнительного ук­ репления. Обычно размеры устанавливаемых кристаллов ИМС (и других радиокомпонентов) составляют не менее

0,3 х 0,3 мм и не более 10 X 10 мм.

Обязательным требованием к клеям и компаундам, ис­ пользуемым для приклейки навесных элементов, является механическая прочность и хорошая адгезионная способность

менее 0,2—0,3 ГПа. Кроме того, нужно, чтобы рабочий ин­ тервал температур составлял 60— 125° С; удельное объемное сопротивление — более 1014 Ом см; tgfi ^ 1 Ю"3 вплоть до 100 МГц; ег ^ 3,5. Важно отсутствие в герметизирован­ ных объемах при температурах эксплуатации существенных выделений летучих компонентов клея, которые могли бы взаимодействовать с элементами микросборок и других ком­ понентов. При этом клей должен обеспечить легкий демон­

Для этого на основание корпуса или посадочного места на плате наносят золотое покрытие толщиной не менее 2,5 мкм. Меньшая толщина приводит к недопустимому уменьшению эвтектического спая, а также к тому, что на границе эвтек­ тики с материалом подложки (например, ковара) появля­ ются интерметаллические соединения (например, железа и кобальта). Наличие сплава железо — кобальт вблизи гра­ ницы раздела и в самой эвтектике может оказать неблаго­ приятное воздействие на качество эвтектики — произойдет охрупчивание и даже разрушение соединения. Оптималь­ ным соединением золото — кремний является равномерное соединение с толщиной электрического спая 5—7 мкм, со­ держанием кремния 2,4—2,8 % и площадью эвтектики под кристаллом не менее 70 %. Температура пайки составляет 630—700 К, давление на кристалл — около 0,1 ГПа.

Для улучшения смачивания паяемой стороны кристалла на нее наносят золотое покрытие с подслоем из никеля, которое вжигают перед пайкой при температуре 700— 720 К. При пайке кристаллов больших размеров в зазор до­ полнительно вводят фольгу из золота толщиной около

Алюминиевая проволока может изготавливаться как твердой, так и мягкой. Проволока из алюминия чистоты 99,999 % делается только мягкой. Сплавы алюминия (А1 — 4 % Си, А1— 1 % Si, А1 — 2 % Mg) более предпо­ чтительны для изготовления проволоки, чем чистый алю­ миний из-за повышенной прочности сварного соединения. Содержание легирующей добавки должно выдерживаться с большой точностью ( ± 15 %) при однородном ее распреде­ лении в проволоке. Содержание примесей в сплаве — не

Рис. 4.3. Диаграмма состояния системы

AI— Аи

более 0,1 %. При сварке золотой проволоки к алюминиевой контактной площадке кристалла или алюминиевой проволо­ ки к золоченой контактной площадке вследствие взаимодиффузии золота и алюминия образуются интерметаллические соединения типа Аих, А1У, которые снижают механические свойства сварного соединения. На рис. 4.3 представлена диаграмма состояния системы А1 — Аи. В зоне контакта образуются интерметаллиды типа AU4A1; AU5A12; AuAI; AUA12, причем зоны их распространения от золотой прово­ локи к алюминиевой контактной площадке находятся в той же последовательности, в которой они указаны в тексте. При повышенной температуре сварки, значительном времени воздействия, а также в присутствии фазы свободного крем­ ния образуется соединение АиА12 (пурпурная чума).

Для присоединения проволочных выводов к контактным площадкам кристаллов используется термокомпрессионная (в основном для золотых проводников) и ультразвуковая (для алюминиевых) сварка, а к контактным площадкам

ГИФУ — термокомпрессионная сварка или пайка (золотых проводников).

Термокомпрессионная сварка может проводиться встык (с образованием шарика) или внахлест (клином) — рис. 4.4. При термокомпрессионной сварке материал проволоки дол­ жен обладать высокой пластичностью (деформация при та­

Автоматизированное присоединение золотых проводни­ ков термокомпрессионным способом производится в такой последовательности (рис. 4.5). Кончик проволоки, проходя-

щей через капилляр 2, расплавляется пламенем водородной горелки 1 до образования шарика (диаметр шарика 2—3 диа­ метра золотой проволоки). Кончиком капилляра шарик при­ жимается к нагретой приблизительно до 573 К контактной площадке на кристалле 3, при этом необходимый тепловой импульс подается и на капилляр. После сварки капилляр передвигается, образуя проволочную петлю, которая вытя-

гивается. Присоединение к выводу корпуса осуществляется тем же способом (с помощью оплавленного шарика) или сваркой (внахлест). Капилляр поднимается, проволока зажимается и обрезается. Однако такой микромонтаж в большинстве случаев не может быть осуществлен при мон­

ванную сварку проволочных выводов путем присоединения к «кроватке» выводов кристаллов, а затем к коммутацион­ ной плате. Вместе с тем использование промежуточных «кроваток» приводит к увеличению посадочного места крис­ талла на плате, а следовательно, к уменьшению плотности монтажа. Полная автоматизация процессов монтажа бескор­ пусных кристаллов на плату ГИФУ достигается применени-

ем организованных жестких выводов или беспроволочного соединения.

Для автоматического оборудования наиболее пригодна золотая проволока с относительным удлинением 3—7 %. При меньшем удлинении она становится очень жесткой, и перемычка формируется плохо, так как изгиб проволоки происходит вблизи шарика на участке, подвергнутом воз­ действию высоких температур в момент его образования. В проволоке возникают напряжения, которые при цикли­ ческих испытаниях приводят к разрушению перемычек. Проволока с удлинением свыше 7 % из-за высокой пластич­ ности в процессе скоростного формирования межсоединений провисает, что приводит к частым остановкам оборудова­ ния и заправкам проволоки в инструмент. Выбор проволоки зависит также от конструкции платы ГИФУ Если контакт­ ные площадки кристалла и платы расположены близко и имеют большой перепад по высоте, то, используя мягкую проволоку, можно избежать ее замыканий на край кристал­ ла и наоборот.

При работе на автоматическом оборудовании исполь­ зуется сварочный инструмент с большим диаметром капил­ лярного отверстия (1,5— 1,6 диаметра проволоки), чем при ручной сварке. Предпочтение отдается керамическим и ру­ биновым капиллярам, которые имеют более высокую чис­ тоту поверхности отверстия, не требуют нагрева и обеспечи­ вают возможность 0,5 и 1,0 млн. соединений.

Для расчета размеров и шага расположения контактных площадок кристалла необходимо определить площадь зоны присоединения с учетом деформации и смещения шарика от номинального положения. В этой зоне В не должны распола­ гаться открытые металлизированные дорожки проводников и активные области кристалла:

где йш — размер шарика после присоединения; Д0 — по­ грешность оборудования; Дс — погрешность, вносимая опе­ ратором при совмещении. Размер dit = dm + Adin, где dm — диаметр шарика, равный 2,0—3,0 диаметра присое­ диняемой проволоки; Adm—деформация шарика при сварке.

Погрешность оборудования Д0 зависит от погрешности центрирования шарика в сварочном инструменте (от типа используемого капилляра), а также погрешности расчета, задания и отработки программы координатными столами; она составляет 12— 15 мкм. Погрешность, вносимая опера­ тором при совмещении, Дс = 20-f-25 мкм.

Минимальный шаг между контактными площадками

где dK— диаметр торца капилляра. Уменьшение шага Д/г увеличивает вероятность повреждения капилляром смонти­ рованных перемычек изделия. Размеры металлизации кон­ тактных площадок кристалла при выполнении условий (4.1) должны составлять не менее трех диаметров присоеди­ няемой проволоки.

Ультразвуковая сварка часто также требует нагрева свариваемых металлов, что благоприятно сказывается на образовании соединения, сокращает время процесса. К до­ стоинствам этого метода по сравнению с термокомпрессион­ ным следует отнести меньшую деформацию проводника при сварке (40—50 %), снижение вероятности образования ин­ терметаллических соединений (для золотого проводника), меньшую зависимость от состояния поверхности сваривае­ мых металлов. Часто одновременно с созданием танген­ циальных колебаний на пуансон подается импульс тока (импульсный косвенный нагрев).

Оптимальные амплитуды колебаний сварочного инстру­ мента составляют 1,5—2 мкм (частота колебаний порядка 60 кГц), а относительные смещения — около 1 мкм. Ультра­ звуковая сварка сопровождается увеличением температуры в зоне сварки.

Выход годных на операциях присоединения выводов по­ лупроводниковых приборов ультразвуком зависит от систем контроля, который может быть как прямым (на только что образованное сварное соединение подается контрольная нагрузка), так и косвенным (контролируется при сварке амплитуда скорости механических колебаний, напряжение или ток во входной цепи ультразвуковой колебательной системы и др.).

Следует отметить, что косвенные методы контроля не дают полной гарантии качества процесса, так как большое значение в процессе ультразвуковой сварки имеет состояние поверхностей соединяемых деталей. Изменение микрогеометрии поверхности контактных площадок кристалла, выз­ ванное условиями осаждения пленок алюминия, наличие на цих пленок поверхностно-активных веществ и загрязне­ ний (остатки защитных органических покрытий, жировые пятна и т. п.) влияет на коэффициент трения, что приводит к колебаниям от сварки к сварке максимального уровня амплитуды в начале процесса. Кроме того, этот уровень