Реферат: Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

На рис. 2 приведены номограммы режимов термокомпрес­сионной сварки золотой (а) и алюминиевой (б) проволоки с алю­миниевыми контактными площадками. Эти номограммы дают воз­можность оптимального выбора соотношения между давлением, температурой и временем.

Термокомпрессионная сварка имеет довольно много разновид­ностей, которые можно классифицировать по способу нагрева, по способу присоединения, по форме инструмента. По способу нагре­ва различают термокомпрессионную сварку с раздельным нагревом иглы, кристалла или пуансона, а также с одновременным нагре­вом двух из этих элементов. По способу присоединения термоком­прессионная сварка может быть встык и внахлест. По форме инструмента различают «птичий клюв», «клин», «капилляр» и «иглу» (рис. 14.3).

При сварке инструментом «птичий клюв» одно и то же устройство подает проволоку, присоединяет ее к контактным площадкам интегральной схемы и автоматически обрывает, не выпуская ее из «клюва». Инструмент в виде «клина» прижимает конец проволоки к подложке, при этом вдавливается не вся проволока, а только центральная ее часть. При сварке с помощью «капиллярного инст­румента» проволока проходит через него. Капиллярный наконеч­ник одновременно служит инструментом, передающим давление на проволоку. При сварке «иглой» конец проволочного вывода подво­дят в зону сварки специальным механизмом и накладывают на контактную площадку, а затем прижимают ее иглой с определенным усилием.

Р
ис. 3. Типы инструментов для проведения термокомпрессионной сварки:

а «птичий клюв»; б «клин»; в «капилляр»; г «игла»

Для осуществления процесса термокомпрессионной сварки ис­пользуются различные установки, основными узлами которых являются: рабочий столик с нагревательной колонкой или без нее, механизм создания давления на присоединяемый вывод, рабочий инструмент, механизм подачи и обрыва проволоки для выводов, механизм подачи кристаллов или деталей с присоединенным к ним кристаллом; механизм совмещения соединяемых элементов, опти­ческая система визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управления. Все перечисленные узлы могут иметь раз­личное конструктивное исполнение, однако принцип их устройства и характер выполняемой работы одинаков.

Так, рабочий столик всех установок служит для закрепления кристалла или корпуса интегральной схемы в определенном поло­жении. Обычно рабочий столик термокомпрессионных установок является сменным, что позволяет закреплять кристаллы различных размеров и геометрических форм. Нагревательная колонка служит для нагрева кристаллов или корпусов до требуемой температуры и позволяет регулировать ее в пределах 50500°С с точностью ре­гулировки +5°С. Механизм создания давления предназначен для прижатия вывода к контактной площадке кристалла и обеспечива­ет регулирование усилия от 0,01 до 5 Н с точностью ±5%. Рабо­чий инструмент является одним из основных узлов термокомпрес­сионной установки. Его изготовляют из твердых сплавов типа ВК-6М, ВК-15 (для инструментов «птичий клюв» и «капилляр»)

или из синтетического корунда (для «клина» и «иглы»). Конструк­ция механизма подачи и отрыва проволоки зависит от типа уста­новки и формы рабочего инструмента. Наиболее широко распрост­ранены два способа отрыва; рычажный и электромагнитный. Про­цесс отрыва проволочного вывода после изготовления термоком­прессионного соединения на кристалле интегральной схемы без нарушения его прочности во многом зависит от конструктивных особенностей механизма. Механизм подачи кристаллов или дета­лей к месту сварки представляет собой обыкновенные зажимы или сложные кассеты, смонтированные на рабочем столике уста­новки. Наибольшая производительность достигается при использо­вании кассет с металлической лентой, на которой корпуса или кристаллы предварительно ориентируются в заданной плоскости и в определенном положении. Механизм совмещения обычно вклю­чает в себя манипуляторы, которые позволяют перемещать кри­сталл до его совмещения с соединяемыми элементами. Обычно используют манипуляторы двух видов: рычажные и пантографные. Оптическая система визуального наблюдения состоит из биноку­лярного микроскопа или увеличительного экрана-проектора. В за­висимости от размеров присоединяемых элементов выбирают уве­личение оптической системы от 10 до 100 крат.

Электроконтактная сварка применяется для присоединения металлических выводов к контактным площадкам кристаллов по­лупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Физиче­ская сущность процесса электроконтактной сварки заключается в нагреве соединяемых элементов в локальных участках приложения электродов. Разогрев локальных областей соединяемых элементов происходит за счет возникающего в местах контакта материала с электродами максимального электрического сопротивления при прохождении через электроды электрического тока. Основными параметрами процесса электроконтактной сварки являются значе­ние сварочного тока, скорость нарастания тока, время воздействия тока на соединяемые элементы и сила прижатия электродов к сое­диняемым деталям.

В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам кристаллов интегральных схем используются два спо­соба электроконтактной сварки: с односторонним расположением двух электродов и с односторонним расположением одного сдвоен­ного электрода. Второй способ отличается от первого тем, что ра­бочие электроды выполнены в виде двух токонесущих элементов, разделенных между собой изоляционной прокладкой. В момент прижатия такого электрода к проволочному выводу и пропускания через образовавшуюся систему электродного тока происходит вы­деление большого количества теплоты в месте контакта. Внешнее давление в сочетании с разогревом деталей до температуры плас­тичности или расплавления приводит к прочному их соединению.

Технологическое оборудование для присоединения выводов ме­тодом электроконтакной сварки включает в себя следующие ос­новные узлы: рабочий столик, механизм создания давления на электрод, механизм подачи и отрезки проволоки, рабочий инстру­мент, механизм подачи кристаллов или корпусов с кристаллами, механизм совмещения соединяемых элементов, оптическую систему визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управ­ления. Рабочий столик служит для расположения на нем кристал­лов или корпусов с кристаллами. Механизм создания давления на электрод позволяет прикладывать усилия 0,10,5 Н. Принцип дей­ствия механизма подачи и отрезки проволоки основан на движении проволоки через капиллярное отверстие и отрезании ее рычажным ножом. Форма и материал рабочего инструмента оказывают боль­шое влияние на качество и производительность процесса электро­контактной сварки. Обычно рабочая часть наконечников электро­дов имеет форму усеченной пирамиды и изготовляется из высокопрочного материала на основе карбида вольфрама марки ВК-8. Механизм подачи кристаллов включает в себя набор кассет, а ме­ханизм совмещениясистему манипуляторов, которые позволяют располагать кристалл в нужном положении. Оптическая визуаль­ная система наблюдения состоит из микроскопа или проектора. Блок питания и управления позволяет задавать рабочий режим сварки и производить его перестройку и регулировку при смене типа кристалла и материала вывода.

Ультразвуковая сварка, применяемая для присоединения выво­дов к контактным площадкам полупроводниковых приборов и ин­тегральных схем, имеет следующие преимущества: отсутствие нагрева соединяемых элементов, малое время сварки, возможность сварки разнородных и трудносвариваемых материалов. Отсутствие нагрева позволяет получать соединения без плавления сваривае­мых деталей. Малое время сварки дает возможность повысить про­изводительность процесса сборки.

Механизм образования соединения между выводом и контакт­ной площадкой при ультразвуковой сварке определяется пластиче­ской деформацией, удалением загрязнения, самодиффузией и сила­ми поверхностного натяжения. Процесс ультразвуковой сварки характеризуется тремя основными параметрами: амплитудой и частотой ультразвуковых колебаний, значением приложенного дав­ления и временем проведения процесса сварки. ^Установки для ультразвуковой сварки состоят из следующих основных узлов: ра­бочего столика, механизма создания давления, механизма подачи Н отрезки проволоки, ультразвукового сварочного устройства и оп­тической системы.

Герметизация кристалла

После того как полупроводниковый кристалл ориентирован и за­креплен на основании корпуса и к его контактным площадкам присоединены выводы, его необходимо защитить от влияния окру­жающей среды, т. е. создать вокруг него герметичную и механиче­ски прочную оболочку. Такая оболочка может быть создана либо присоединением к основанию корпуса специальной крышки (баллона), которая накрывает полупроводниковый кристалл и изолирует его от внешней среды, либо обволакиванием основания корпуса с расположенным на нем полупроводниковым кристаллом пласт­массой, которая также отделяет кристалл от внешней среды.

Для герметичного соединения основания корпуса с крышкой или баллоном (дискретный вариант полупроводниковых приборов) широко используют пайку, электроконтактную и холодную сварку, а для герметизации кристалла на держателезаливку, обволаки­вание и опрессовку пластмассой. )

Пайка. Пайку применяют для герметизации как дискретных приборов, так и ИМС. Наибольшее практическое использование этот процесс нашел при сборке и герметизации корпусов диодов и транзисторов. Элементы конструкции корпусов включают в себя отдельные узлы и блоки, полученные на основании процессов пайки: металла с металлом, металла с керамикой и металла со стеклом. Рассмотрим эти виды пайки.

Пайка металла с металлом уже рассматривалась в §2. По­этому здесь остановимся лишь на технологических особенностях, которые связаны с получением герметичных паяных соединений.

Основными элементами паяного соединения при герметизации интегральных схем являются основание корпуса и крышка. Про­цесс соединения основания корпуса с крышкой может проводиться либо с использованием прослойки припоя, которая располагается между основанием корпуса и крышкой в виде кольца, либо без прослойки припоя. Во втором случае края основания корпуса и крышки предварительно облуживают припоем.

При герметизации диодов, транзисторов и тиристоров в зависи­мости от конструкции корпуса могут иметь место несколько пая­ных соединений. Так, пайкой соединяют кристаллодержатель с баллоном и герметизируют верхние выводы корпуса тиристора.

К процессу пайки при герметизации предъявляют требования по чистоте исходных деталей, которые предварительно подверга­ются очистке, промывке и сушке. Процесс пайки проводят в ваку­уме, инертной или восстановительной среде. При использовании флюсов пайку можно проводить на воздухе. Флюсы в значитель­ной степени улучшают смачивание и растекание припоя по соеди­няемым поверхностям деталей, а это залог образования герметич­ного паяного шва. По выполняемой роли флюсы подразделяют на две группы; защитные и активные. Защитные флюсы предохраня­ют детали от окисления в процессе пайки, а активные способствуют восстановлению оксидов, образовавшихся в процессе пайки. В качестве защитных флюсов наиболее часто используют рас­творы канифоли. Активными флюсами служат хлористый цинк и хлористый аммоний. Для пайки используют припои ПОС-40 и ПОС-60.

Пайка керамики с металлом. В полупроводниковой технике. как и в электровакуумной, широкое применение находят спаи ке­рамики с металлом, которые обеспечивают более надежную герме­тизацию .интегральных схем.

Припои, которые используют для пайки металла с металлом, не смачивают поверхность керамических деталей и поэтому не спаи­ваются с керамическими деталями корпусов интегральных схем.

Для получения паяных соединений керамики с металлом ее предварительно металлизируют. Металлизация проводится с по­мощью паст, которые наносят на керамическую деталь. Хорошее сцепление металлизационного слоя с поверхностью керамики достигается высокотемпературным вжиганием. При вжигании паст растворитель улетучивается, а металлические частицы прочно соединяются с' поверхностью керамической детали. Толщина воз-жженного слоя металла составляет обычно несколько микрометров. Нанесение и вжигание пасты можно повторять по нескольку раз, при этом толщина слоя увеличивается и качество металлизационного слоя улучшается. Полученную таким образом металлизирован­ную керамику можно паять обычными припоями.

Распространенным способом нанесения металлических покры­тий на детали керамических корпусов является спекание слоя металлизационной пасты с керамикой при высокой температуре. В качестве исходных материалов используются порошки молибде­на, вольфрама, рения, тантала, железа, никеля, марганца, кобаль­та, хрома, серебра и меди с размерами зерен в несколько микро­метров. Для приготовления паст эти порошки разводят в связую­щих веществах: ацетоне, амилацетате, метиловом спирте и др.

Пайка металлизированных керамических деталей с металличе­скими проводится обычным способом.

Пайка стекла с металлом. Стекло ни с одним из чистых метал­лов не спаивается, так как чистая поверхность металлов не смачи­вается или плохо смачивается жидким стеклом.

Однако если поверхность металла покрыта слоем оксида, то смачивание улучшается, оксид частично растворяется в стекле и после охлаждения может произойти герметичное соединение. Ос­новная трудность при изготовлении спаев металл  стекло состоит в подборе компонентов стекла и металла с достаточно близкими значениями коэффициентов термического расширения во всем диа­пазоне от температуры плавления стекла до минимальной рабочей температуры полупроводников