книги / Микроэлектроника толстых пленок

ный материал для проволочных выводов. Обычно соединение сводится к припаиванию к металлизирован­ ным площадкам, когда припой образует своеобразную прокладку, которая играет роль буферного слоя. В прин­ ципе возможно механическое разрушение припоя, вы­ званное знакопеременными напряжениями при цикли­ ческом нагреве, так называемая усталость, — одна из не­ решенных проблем такого соединения, но вследствие обычно применяемой топологии (использование только коротких выводов) усталость практически исключена.

Прочность на отрыв паяного соединения обычно со­ ставляет несколько килограмм на 1 мм2. Она вполне до­ статочна для большинства применяемых схем. Однако если требуется повысить прочность, то этого можно до­ стичь путем крепления вывода к подложке перед пайкой или с помощью закрепления структуры эпоксидной смо­ лой, нанесенной сразу на вывод'и на подложку, или на вывод и специальную рамку, которая в свою очередь крепится к подложке.

Если медные или другие выводы закрепляются в от­ верстиях керамики и затем запаиваются, то при нагреве они могут вырываться. Разрушение проволок диаметром свыше 1 мм наблюдается очень редко. Навесные компо­ ненты с выводами из таких материалов, как ковар или никель, можно перед пайкой облудить. Но сварка на­ дежнее панки, и к тому же ее вредное воздействие при нагревании меньше, чем при пайке. Поэтому целесооб­ разнее проводить сварку, хотя она не всегда дает ту же свободу в замене и использовании различных элементов, как пайка.

5.2. Крепление чипов

Для прочного крепления чипов должно выполняться одно или несколько из следующих требований: низкий омический контакт; электрическая изоляция креплений; достаточная теплоемкость; отсутствие паразитных связей; достаточная механическая прочность соединения. Чаще всего чипы крепятся сплавлением. Два менее распрост­ раненных метода — пайка и монтаж с помощью эпоксид­

ной смолы. Факторами первостепенной важности явля­ ются адгезия, теплопроводность, стабильность по отно­ шению к действию окружающей среды и стоимость. Сплавление в том смысле, в каком оно используется здесь, состоит в соединении кремния на нижней части чипа с другим материалом путем образования жидкой фазы, которая смачивает и прилипает к пластине и чи­ пу, соединяя их. Почти во всех случаях используется зо­ лото благодаря тому, что оно образует эвтектику при температуре 370° С, которая достаточно высока, чтобы стимулировать труднопротекающие процессы, и доста­ точно низка для того, чтобы не вызывать какие-либо на­ рушения в чипе. Золото обычно применяется в форме золотых, золотогерманиевых и золотокремниевых паст или в форме достаточно толстой пленки на подложке. Для того чтобы сделать возможным образование спла­ ва, следует удалить тонкую пленку двуокиси кремния с нижней поверхности чипа и обеспечить соприкоснове­ ние кремния и металла. Обычно это достигается путем механического притирания чипа к материалу, содержа­ щему золото, т. е. к пасте или металлизированной под­ ложке при температурах 390—450° С.

Чтобы противодействовать окислению, обычно при­ бегают к пользованию защитной атмосферы азота. Сразу после образования сплава подложка удаляется из нагревательного устройства и сплав затвердевает. Все операции, требующие не более 10—20 с, могут осущест­ вляться с помощью различного оборудования: от пары пинцетов и нагревателя с газовой защитой до полуавто­ матического дозатора сплава, в котором используется очистка с помощью вибрации или ультразвука. Сплав­ лением удается обеспечить высокую прочность, хорошую теплопроводность, а также способность выдерживать небольшие пластические деформации.

Недостатки метода состоят в том, что, во-первых, требуется металлизация поверхности подложки, к кото­ рой производится крепление; во-вторых, сильное меха­ ническое воздействие на чип приводит к большим поте­ рям, связанным с растрескиванием, образованием царапин и зазубрин; и наконец, необходим нагрев подложки до 400° С,

Трудности, возникающие при монтаже активных кремниевых элементов на пластину гибридной микро­ схемы, связаны главным образом с температурой, не­ обходимой для присоединения чипов и выводов, и с сов­ местимостью этих выводов с пассивными элементами на пластине. Пластины с керметовыми резисторами мо­ гут выдержать некоторое время нагрев до эвтектической температуры (370°С), однако если к пластине необхо­ димо присоединить много активных элементов, то в эле­ ментах, присоединенных вначале, может иметь место уход параметров, пока закрепляются последние. Чтобы этого не произошло, чипы покрывают золотом и исполь­ зуют технологию низкотемпературной, пайки. Различные методы крепления чипов даны в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Существующие методы крепления полупроводниковых чипов

Для крепления чипов или проводов важен тип при­ меняемой керметовой проводящей пасты. Металлизиро­ ванная разводка с соответствующими контактными площадками должна быть совместима с эвтектикой зо­

лото — олово. Керметовая паста на площадках, предна­ значенных для присоединения проводов, должна быть также совместима с выбранной технологией соединения проводов. Паста для крепления чипов и проводов мо­ жет обладать плохой адгезией к подложке из окиси алюминия или быть несовместимой с диэлектрической или резистивной пастами.

Для преодоления этой трудности можно использо­ вать многослойную структуру. Например, металлизиро­ ванная разводка, обладающая хорошей адгезией к подложке и совместимостью с диэлектрическим материа­ лом, может быть выполнена из керметов золото — пла­ тина или серебро — палладий. Чтобы сделать их сов­ местимыми с технологией крепления чипов и проводов, соответствующий кермет, например золотой, может быть нанесен на поверхности, предназначенные для соединений.

Далее, используя эти керметовые пасты, способству­ ющие хорошей связи, можно быстро провести процесс

исократить время и температуру соединения, так как использование выводов, металлизированных золотом, позволяет вести одновременно оба процесса — присоеди­ нение чипов и проводов.

Монтаж с помощью склейки используется при тем­ пературе ниже 200° С. Клей, обычно силиконовый или эпоксидный, наносится на монтажную площадку под­ ложки, а чип помещается на клей. Подготовленная си­ стема затем спекается при температуре, соответству­ ющей выбранному клею. Тепловое расширение, электро-

итеплопроводность клеев могут быть изменены путем

добавок окиси бериллия, окиси алюминия, алюминия, золота и серебра. С учетом все более широкого исполь­ зования пластмасс для защиты интегральных схем можно ожидать, что многие из возражений, связанных с при­ менением пластмасс в полупроводниковой технике, будут сняты, и во многих случаях можно будет вновь вернуться к использованию пластмасс для монтажа. Пластмассовые материалы облегчают монтаж, экономич­ ны, обладают хорошей адгезией, их коэффициенты рас­ ширения можно изменять и они могут применяться при низких температурах. При их использовании не возникает ограничений, присущих монтажу методом сплавления.

136 ГЛАВА 5

Недостатки пластмасс тем не менее возникаю! именно из-за низких температур монтажа и заключаются в том, что одни этапы сборки или защиты должны проводиться

250°С в зависимости от типа пластмассы. Для остыва­ ния их обычно требуется много времени. Для крепления чипов пригодны проводящие эпоксидные смолы, хотя эксперименты показывают, что припой должен приво­ дить к более высоким значениям напряжения насыщения эмиттер — коллектор. Это связано с тем, что выдержка элементов схемы, смонтированной с помощью эпоксид­ ной смолы, при высокой температуре или больших токах может вызвать образование сопротивления, включенного последовательно в цепь коллектора. Хотя в полупровод­ никовом производстве для крепления чипов сейчас пайка

ине рекомендуется, она может скоро найти применение

всвязи с использованием больших чипов, например в больших интегральных схемах. Она уже теперь может применяться в мощных устройствах с большими чипами. Процесс соединения пайкой требует дополнительных операций над кремниевой пластиной для того, чтобы сделать нижнюю часть чипа пригодной для пайки. Тем не менее такой монтаж обладает рядом достоинств.

5.3. Соединение проводников

Рассматриваемая ниже технология обеспечивает элек­ трический контакт между схемой и выводами корпуса. Она должна удовлетворять следующим условиям: 1) обес­ печивать возможность соединения проволоки малого диаметра с металлизированной поверхностью подложки;

2)не сопровождаться загрязнением поверхности схемы;

3)давать такие соединения, которые будут оставаться электрически и механически стабильными при корпусировании и монтаже аппаратуры.

Соединение металлов давлением зависит от ряда факторов. Если металлы имеют совершенно гладкую металлическую поверхность, свободную от загрязня­ ющих органических пленок и окислов, то вероятность получить хорошее соединение будет большой. Однако на практике такую поверхность получить трудно. Сов-

мещенне друг с другом двух поверхностей даст лишь несколько точек хорошего контакта. Таким образом, по­ верхности остаются разделенными, за исключением от­ дельных участков, которые деформируются под дей­ ствием нагрузки. На процесс сварки давлением влияют шероховатость поверхности, механические свойства ме­ талла и его окислов, наличие органических пленок, при­ ложенная нагрузка, температура и время выдержки при этой температуре под нагрузкой.

Соединение проволочных мягких выводов — наибо­ лее дорогая операция изготовления гибридных схем. Кроме того, качество проволочных соединений сильно влияет на надежность. Так, отказы аппаратуры чаще связаны с некачественным соединением проволок, чем с какой-либо другой причиной. В производстве гибрид­ ных схем применяют два метода соединения: термоком­ прессию и сварку ультразвуком. Термокомпрессия — это старый метод, а соединение ультразвуком стало распро­ страненным лишь в последние годы. Существующие ме­ тоды соединения выводов приведены в табл. 5.3 [19].

При термокомпрессионном методе материал в форме проволоки (обычно золото) соединяется под давлением с нагретой металлической контактной площадкой с по­ мощью нагретого капилляра или клина. Нагрев и дав­ ление вызывают смешивание двух металлов и образова­ ние соединения. По этой технологии обычно соединяют золото и алюминий, а также золото с золотом. Однако можно получить и соединение алюминия с алюминием. Условия термокомпрессионного соединения меняются в зависимости от поверхности соединения. Так, для прово­ лок диаметром 25 мкм прочность может изменяться от 3 до 7 г. Существуют два типа термокомпрессионного соединения: соединение шариком, которое придает про­ волоке форму шляпки гвоздя, и стежком, которое осу­ ществляется с помощью клина. Первый тип соединения используется чаще.

При соединении шариком золотая проволока диа­ метром 10 мкм пропускается через нагретый капилляр и отрезается водородной микрогорелкой. На конце про­ волоки ниже капилляра образуется наплыв в форме шарика, диаметр которого больше диаметра проволоки.

Таблица 5.3

Существующие методы крепления мягких выводов полупроводниковых чипов

Подложка с прикрепленным к ней чипом помещается прямо под капилляром на нагретой платформе. Капил­ ляр затем опускается и шарик прижимается к контакт­ ной площадке, которая предварительно совмещается с капилляром. После того как соединение шариком сде­ лано, капилляр немного поднимается и подложка сме­ щается, в результате чего проволока выходит из капил­ ляра до тех пор, пока нужная контактная площадка корпуса не окажется прямо под капилляром. Капилляр опять опускается и проволока прижимается к контактной площадке, образуя стенкой капилляра сварную точку (стежок). Когда капилляр удаляется от точечного со­ единения, срабатывает водородная микрогорелка и об­ разуется шарик для следующего соединения. На месте точечной сварки остается «хвостик», который затем уда­

ляется. Процесс соединения с помощью шарика изобра­ жен на фиг. 5.1.

Процесс соединения клином аналогичен, но при этом производится соединение только точечной сваркой (сши­ вание стежками). Проволока опускается на нагретую подложку (фиг. 5.2) и нагретым клином прижимается до

Фиг . 5.1. Соединение с помощью шарика.

Проволока Аи, 50—175 мкм; температура подложки 300° С; игла холодная; газ —N?; вес 50 г.

образования термокомпрессионного соединения. После этого подложка перемещается в положение, при кото­ ром нужная контактная площадка подложки вновь ока­ жется под клином. Проволока выпускается на соответ­ ствующую длину и подается на площадку. Клин опуска­ ется и проволока присоединяется к площадке подложки. Проволока затем зажимается и легко отламывается в месте пайки у поверхности площадки вывода. Никаких «хвостиков» не остается. Хотя обычно используется зо­ лотая проволока, можно употреблять и алюминиевую проволоку, но образование окислов на ней затрудняет операцию соединения.