Реферат: Монтажная микросварка

Анализ факторов, влияющих на качество и надежность микросварных соединений, показывает, что все технологические параметры УЗ-микросварки оказываются настолько тесно связанными, что неудачный выбор одного из них изменяет ранее установленные значения других. Поэтому для обеспечения высокого качества и воспроизводимости ультразвуковой сварки важны: обеспечение заданной микрогеометрии поверхности контактных площадок; оптимизация технологических параметров УЗ-микросварки методом математического моделирования; разработка новых способов микросварки с активацией процесса физико-химического взаимодействия контактирующих металлов.

УЗ-микросварка позволяет соединять без значительного нагрева самые разнообразные металлы (алюминий, медь, никель, золото, серебро), а также металлы с полупроводниковыми материалами. Выполнение проволочного соединения контактной площадки на кристалле с траверсой корпуса требует наряду со сварочными операциями действий по совмещению инструмента с местом сварки на кристалле и корпусе схемы.

В 80-х гг. создана полностью автоматизированная установка УЗ-микросварки ЭМ-4020, имеющая управляющую микроЭВМ "Электроника-60",что резко увеличило производительность до 12500 сварок в час. Новое поколение установок, к которому относится ЭМ-4060, построено с применением линейных шаговых двигателей и системы технического зрения, что обеспечивает наивысшую производительность от 18 до 30 тыс. сварок в час (табл. 1).

Табл. 1 - Характеристика установок УЗ-микросварки

Параметры	ЭМ-4020б	ЭМ-4060	Мод. 1484 (США)
Производительность, сварок/ч	14 000	16 000	18 000
Диаметр проволоки, мкм	27-60	25-40	20-60
Размеры рабочего поля стола, мм	25´25	30´30	101´51
Точность позиционирования, мкм	25	20	3,2
Усилие сжатия, Н	0,2-1,2	0,2-1,2	0,2-0,25
Тип сварочного соединения	Внахлестку	Встык-внахлестку	Термозвук, золотым шариком

В новых моделях автоматов (ЭМ-4060П и ЭМ-4020П) для присоединения выводов ИМС используется единая стойка управления, состоящая из однотипных блоков управления, распознавания и питания ультразвуковых генераторов (УЗГ), а также прецизионные загрузочно-разгрузочные устройства (ЗРУ) и оптико-телевизионные системы.

Система технического зрения (СТЗ) позволяет распознавать и определять положение кристаллов и траверс. Положение корпуса определяется по одной траверсе при совмещении только по линейным координатам и по двум траверсам при совмещении по линейным координатам и углу. СТЗ может определять положение каждой траверсы индивидуально.

Усовершенствованная УЗ-система автоматов характеризуется следующими особенностями. Предусмотрена непрерывная автоматическая подстройка частоты (АПЧ) в полосе не менее 5 кГц с погрешностью отслеживания частоты резонанса ультразвукового преобразователя (УЗП) не более 20 Гц и времени захвата не более 20 мс. Встроенная модернизированная система контроля функционирования и компенсации ошибок АПЧ позволяет вдвое (по сравнению с ЭМ-4020б) уменьшить максимальную длительность компенсации ошибок АПЧ (время модуляции), увеличить устойчивость АПЧ и обеспечить заблаговременную сигнализацию об отказе системы.

В УЗ-системе имеется датчик, сигнализирующий о создании требуемого акустического контакта между инструментом и соединяемыми деталями и позволяющий не только определять позицию сварки по координате Z , но и увеличивать воспроизводимость качества соединений. Подача УЗ-колебаний на инструмент (дежурного сигнала) в промежутках между сварками снижает трение между инструментом и проволокой при формировании петли, облегчает отделение инструмента от сформированного соединения. Встроенное устройство контроля сварочных систем, программно и аппаратно поддержанное управляющей системой установки, позволяет осуществлять функциональное диагностирование УЗ-системы и непрерывное наблюдение за ходом процесса формирования каждого сварного соединения и на этой основе осуществлять 100%-й контроль качества при сборке ИМС любого типа в любом корпусе.

Для повышения качества и надежности микросварных соединений применяют различные методы активации: электрическим током и ИК-излучением. Импульс электрического тока пропускают через оба соединяемых элемента в направлении, обеспечивающем электроперенос диффузионно-подвижного металла в соединении (рис. 3, а ). Поскольку в соединении Al-Ni алюминий обладает большим коэффициентом диффузии, чем никель, электрический ток через соединение стимулирует диффузионное взаимодействие в процессе микросварки, что приводит к образованию интерметаллидов Al₃ Ni, имеющих повышенную прочность, и вызывает увеличение надежности микросварного соединения.

рис. 3. Схемы УЗ-микросварки с токовой активацией (а ) и ИК-активацией (б ): 1 - генератор УЗ-колебаний; 2 - преобразователь; 3 - волновод; 4 - инструмент; 5 - проволока; 6 - контактная площадка; 7 - устройство токовой активации; 8 - блок питания; 9 - блок управления; 1 0 - блок ИК-активации

ИК-подогрев соединяемых элементов при УЗ-микросварке снижает до минимума эффект проскальзывания проволочного вывода, увеличивает его пластичность, степень деформации и фактическую площадь контакта вывода с контактной площадкой (рис. 3, б ). Кроме того, тепловая активация соединения до температур, не превышающих температуру рекристаллизации металлов, участвующих в соединении, ускоряет диффузионные процессы в зоне контакта, что в итоге способствует увеличению прочности микросварных соединений и повышению надежности изделий.

Термозвуковая сварка (ТЗС) находит все возрастающее применение при сборке изделий микроэлектроники. В ТЗС соединения формируются в результате совместного действия температуры, энергии ультразвуковых колебаний сварочного инструмента и усилия нагружения инструмента. Данный способ сварки как бы объединяет отдельные качества термокомпрессионной и УЗ-сварки, обеспечивает высокое качество соединения при существенном смягчении режимов сварки, прежде всего температуры. ТЗС используется в первую очередь при автоматизированной сборке приборов, критичных к температурам свыше 200-250 °С. Применим этот способ сварки и для сборки толстопленочных ГИС. Качественные, устойчивые к повышенным температурам (150 °С) и термоциклированию (100 циклов; –55...+150 °С) соединения золотой проволоки с медными печатными проводниками получаются ТЗС при температуре подложки 105-200 °С. Практически ТЗС начинают широко применять и для сборки ИМС и БИС массовых серий с целью смягчения режимов и снижения критичности сварочного процесса к колебаниям качества соединяемых материалов.

Из всех видов сварки, применяемых в производстве изделий микроэлектроники, ТЗС является наиболее сложной в реализации, но отличается большой гибкостью в выборе режимов, а поэтому весьма перспективна для автоматизированной сборки. Использование при ТЗС ультразвуковой энергии наряду со снижением температуры обусловило ряд преимуществ: увеличение скорости, относительная легкость установления приемлемых режимов, улучшение свариваемости более широкой номенклатуры материалов соединяемых поверхностей. Важным достоинством ТЗС по сравнению с УЗС является меньшая критичность к жесткости конструктивных элементов корпуса.

Термокомпрессионной сваркой (ТКС) называют микросварку давлением в твердой фазе элементов, нагреваемых от постороннего источника теплоты, с локальной пластической деформацией в зоне сварки. Различают термокомпрессионную микросварку с общим, импульсным, косвенным и комбинированным нагревом.

Основными параметрами режима термокомпрессии являются: усилие сжатия соединяемых элементов F , температура нагрева инструмента Т , длительность выдержки под давлением t .

Выбор усилия сжатия F определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника, которая для золотой проволоки составляет 50-70 %, алюминиевой - 60-80 %. Температура нагрева не должна превышать температуру образования эвтектики соединяемых материалов и находится в пределах 250-450 °С. Длительность выдержки выбирается в зависимости от сочетаний свариваемых материалов в диапазоне 1-10 для достижения максимальной прочности соединения.

Для сварки применяют золотую проволоку диаметром 30 мкм, которую обезжиривают в спирте и отжигают в течение 5 мин при температуре 600 °С. ТКС проводится внахлест (клином) (рис. 4, а ) или встык, с образованием шарика (рис. 4, б ). Шарик из золотой проволоки образуется в пламени водородной горелки или электрическим разрядом. Диаметр шарика составляет 1,5-2 диаметра проволоки. Правильная форма шарика и отсутствие оксидов на его поверхности улучшают качество соединений.

1 – проволока; 2 – инструмент; 3 – подложка

рис. 4. Схемы термокомпрессионной сварки:

Для ТКС рекомендуются рубиновые капилляры, имеющие более высокие износостойкость рабочих поверхностей, коррозионную стойкость и чистоту поверхности. Обозначение капилляра: КТ51-25-150-2-30 (КТ - капилляр для термокомпрессионной сварки, 25 - диаметр проволоки, 150 - диаметр D , 30 - размер R ). Наибольшая прочность соединений достигается при использовании инструмента сложной формы: с ребром жесткости или типа "рыбий глаз" (рис. 5).

а - обычное; б - с ребрами жесткости; в - типа “рыбий глаз”

рис. 5. Типы термокомпрессионных соединений

После сварки в процессе электротренировки возможно появление интерметаллидов Au_x Al_y : пурпурного AuAl₂ , затем рыжего, а через некоторое время фазы черного цвета, имеющих низкую прочность и высокое электрическое сопротивление. Скорость процесса разрушения соединения возрастает при повышении температуры. Расчеты показывают, что при температуре 100 °С падение прочности вдвое произойдет через 10 сут., а следующее падение прочности вдвое - через 7 лет.

Повышения качества ТКС добиваются подачей в зону сварки осушенного защитного газа (аргона, азота, формиргаза) и снижением температуры. Для ТКС используется современное автоматическое оборудование (табл. 2).

Табл. 2 - Характеристика установок термокомпрессионной сварки

Параметры	ЭМ-490	ЭМ-4030	ЭМ-4060	Hitachi (Япония)
Диаметр вывода, мкм	20-60	20-60	20-60	20-60
Способ соединения	Встык, внахлестку	Внахлестку	Встык, внахлестку	Встык
Температура нагрева, °С	250-400	250-450	250-450	До 450
Контактное усилие, Н	0,4-3	0,4-3	0,4-3	0,3-2,5
Время сварки, с	0,05-0,3	0,4-3,6	0,04-0,3	0,05-4,0
Производительность, сварок/ч	12 500	300	10 000	18 000

Преимущества ТКС заключаются в следующем: возможность сварки прецизионных элементов с минимальной толщиной до 5 мкм, некритичность к небольшим изменениям (±10 %) параметров режима сварки, возможность групповой технологии контактирования. К недостаткам следует отнести: небольшое число хорошо свариваемых материалов, ограничение толщин свариваемых элементов до 0,13 мм, сильную зависимость качества соединений от состояния свариваемых поверхностей, необходимость подогрева деталей до 350-400 °С, увеличенное значение переходного сопротивления контактов, возможность образования интерметаллидов, ухудшающих качество и надежность соединения.