Метод соединения микросхем

   Метод соединения микросхем должен удовлетворять  следующим требованиям: прочность  соединения должна быть близка к прочности  соединяемых элементов микросхем; соединение должно иметь минимальное  омическое сопротивление; основные параметры процесса соединения (температура нагрева, удельное давление и длительность выдержки) должны быть минимально возможными, с тем, чтобы не повреждались элементы схемы; выполнять соединение материалов разнообразных сочетаний и типоразмеров; после соединения не должно оставаться материалов, вызывающих коррозию; качество соединений должно контролироваться простыми и надежными методами. Из общеизвестных способов сварки при производстве микроэлектронных схем применяют контактную точечную, ультразвуковую, холодную, диффузионную, электронно-лучевую, лазерную, аргонодуговую и микроплазменную.

   Специально  для целей монтажа микросхем  разработано несколько оригинальных способов микросварки давлением: термокомпрессия, сварка давлением с косвенным  импульсным нагревом (СКИН), ультразвуковая сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН), односторонняя контактная сварка (точечная и шовная).

   Термокомпрессия — способ соединения металлов с металлами и неметаллами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давлениях.

   По  терминологии, принятой в сварке, более правильно термокомпрессию называть микросваркой давлением с подогревом соединяемых деталей.

   Один  из соединяемых материалов (обычно вывод) при термокомпрессии должен обладать достаточно высокой пластичностью. Температура при термокомпрессии не превышает температуры образования эвтектики соединяемых материалов и обычно равна температуре отпуска или отжига более пластичного металла.

Рисунок 1 - основные типы термокомпрессионных соединений:

a — соединение в виде плоской сварной точки (термокомпрессия клином); 1 — инструмент; 2 — проволока; 3 — подложка; б — соединение встык с образованием шарика; в — соединение с ребром жесткости (термокомпрессия инструментом с канавкой); г — соединение типа «рыбий глаз» (термокомпрессия инструментом с выступом) 

   Термокомпрессией  можно соединять мягкие высокоэлектропроводные материалы в виде круглых и  плоских проводников с полупроводниковыми материалами и электропроводными  тонкими пленками, напыленными на хрупкие диэлектрические подложки. Основные типы термокомпрессионных соединений (рисунок 1).

   Термокомпрессия является наиболее распространенным способом монтажа полупроводниковых микроприборов  и интегральных схем в разнообразных  корпусах гибкими проволочными проводниками.

   Основными параметрами режима термокомпрессии с использованием статического нагрева являются усилие сжатия (давление р), температура нагрева соединения или инструмента Т, длительность выдержки под давлением t.

   Выбор давления определяется допустимой деформацией  присоединяемого проводника и допустимым механическим воздействием на полупроводниковый прибор.

   Усилие  сжатия выбирают в зависимости от пластичности проводника, сочетания  свариваемых материалов, диаметра проволоки  и торца инструмента.

   Давления  при сварке алюминиевого проводника составляют 4—8 кгс/мм2 и при сварке золотого проводника 10—14 кгс/мм2.

  Длительность  выдержки устанавливается в зависимости  от сочетания свариваемых материалов  и определяется экспериментально  путем оценки прочности соединений  и может колебаться от 0,1 с до  нескольких секунд.

   Сварка  давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН). Схема СКИН V-образным инструментом (пуансоном), нагреваемым импульсно проходящим по нему током. Способ можно с успехом применять при монтаже гибридных интегральных схем. Он находит широкое применение в интегральных микросхемах, которые не допускают общего разогрева. Этим способом можно сваривать золотые, алюминиевые и медные проводники диаметром 20—100 мкм с разнообразными пленками, напылёнными на диэлектрические или полупроводниковые подложки. При правильно подобранном режиме можно обеспечить высокое качество соединений и достаточно хорошую стабильность. 

Рисунок 2 - схемы односторонней контактной сварки:

a - односторонняя точечная сварка: 1 — электрод для сжатия спариваемых деталей и подвода тока к проволоке; 2 — электрод для подвода тока к шине печатной платы; 3 — контактная площадка или шина печатной платы; 4 — диэлектрическое основание печатной платы; 5 - привариваемая проволока или лента;  б и в — односторонняя сварка соответственно сдвоенным электродом (с параллельными зазорами) и строенным электродом трехфазным током (1 — электроды; 2 — привариваемый проводник; 3 - тонкая металлическая пленка; 4 — диэлектрическая подложка); г — односторонняя шовная сварка — папка коническими роликами: 1 — конические ролики; 2 — сварочный трансформатор; 3 — крышка корпуса; 4 — металлическая рамка; 5 — керамическое основание корпуса микросхемы. 

   При односторонней точечной контактной сварке (рисунок 2, а) один электрод прижимает проволоку или ленту к контактной площадке, а второй электрод служит для подвода сварочного тока к контактной площадке. Этот способ применяют для сварки весьма тонких проводников (круглых и плоских) с относительно толстым материалом и для сварки проводников с электроосажденными пленками толщиной около 20 мкм.

   Для присоединения круглых и плоских  выводов навесных элементов к  тонким пленкам на хрупких подложках  и к печатному монтажу применяют  контактную сварку сдвоенным электродом (рисунок 2, б) и сварку строенным электродом трехфазным током (рисунок 2, в).

   При односторонней сварке, сдвоенным или строенным электродом электроды устанавливают на верхнюю привариваемую деталь (проволоку, ленту) и прижимают к нижней детали. Таким способом можно с успехом приваривать проводники диаметром от 20 до 150—250 мкм из Аи, Сu, Ag и других металлов к тонким пленкам на керамических подложках.

   Одностороннюю шовную сварку коническими роликами применяют для герметизации металлостеклянных  и металлокерамических корпусов микросхем металлическими крышками.

   Ультразвуковая  микросварка и комбинированные  способы сварки успешно используются при изготовлении гибридных схем, транзисторов и интегральных схем. В микроэлектронике используются следующие  способы ультразвуковой и комбинированной  микросварки: сварка продольными и продольно-поперечными колебаниями (рисунок 3, а); сварка крутильными колебаниями (рисунок 3, б); сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН) (рисунок 3, в); термокомпрессия с ультразвуком.

   Основными параметрами процесса при ультразвуковой микросварке являются амплитуда колебаний, рабочего торца, инструмента, которая зависит от электрической мощности преобразователя и конструктивного исполнения колебательной системы; усилие сжатия свариваемых элементов; длительность включения ультразвуковых колебаний. При комбинированном методе сварки (УЗСКН) регулируемыми параметрами также являются температура нагрева инструмента или изделия, время относительного смещения импульса ультразвука и нагрева. Процесс ультразвуковой микросварки продольными и продольно-поперечными колебаниями характеризуется малыми амплитудами колебаний (1 —10 мкм) и относительно большими удельными давлениями (0,5—1 σc свариваемого материала).

   Ультразвуковую  микросварку применяют для выполнения монтажа гибкими проводниками, присоединения кристалла к корпусу, беспроволочного монтажа интегральных схем методом «перевернутого кристалла», присоединения плоских выводов к кремниевым кристаллам диодов.

   Холодная  сварка осуществляется за счет пластической деформации свариваемых деталей  под действием давления без дополнительного подогрева. Для получения высококачественного сварного соединения при холодной сварке необходимо обеспечить точную сборку и чистоту свариваемых поверхностей и необходимую степень деформации, зависящую от соединяемых металлов (от 35% для сочетания золото + золото до 80% для сочетаний медь + медь, медь + ковар и ковар + ковар). В микроэлектронике этот способ применяется для герметизации металлостеклянных корпусов приборов.

   Микросварка давлением с образованием эвтектики  заключается в нагреве деталей до температуры образования эвтектики соединяемых материалов при одновременном сжатии и подаче колебаний (при необходимости). Способ наиболее приемлем для непосредственного присоединения плоских золоченых выводов к полупроводниковым кремниевым кристаллам, если требуется сравнительно большая площадь контакта (0,2—2 мм²), при соединении кристаллов интегральных схем с золоченой поверхностью корпуса, при соединении медных лепестковых выводов, покрытых оловом, с золочеными выступами на кристалле ИС.

   Микроплазменная сварка является разновидностью сварки плавлением. Отличительная особенность процесса — создание ионизированного потока инертного газа [смесь аргона с гелием (до 70%), с водородом (до 10—15%) или азотом]. Расплавление металла происходит сжатой дугой прямого действия и потоком плотной ионизированной плазмы. Этот способ сварки применяется для герметизации корпусов приборов из ковара или никеля толщиной 0,1—0,3 мм. При этом сила тока составляет 5—10 А, скорость сварки 15—150 м/ч.

Рисунок 3 - схемы устройств для ультразвуковой сварки:

а —  для ультразвуковой сварки продольными (продольно-поперечными) колебаниями: 1 — магнитострикционным преобразователь; 2 — волнсвод; 3 — опора и устройство для создания усилия сжатия; 4 — сварочный инструмент (наконечник); 5 — свариваемые детали; 6 — опора для крепления деталей; 7 — обмотка возбуждения; 8 — обмотка подмагничивания; б — для ультразвуковой сварки крутильными колебаниями: 1 — преобразователь; 2 — обмотка возбуждения; 3 — концентратор; 4, 5 — волноводы; 6 — стержень, совершающий крутильные колебания; 7, 8, 9 — свариваемые изделия; 10 — столик; 11 — спираль для нагрева; в — для ультразвуковой сварки с косвенным импульсным нагревом: 1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — волновод; 3 — сварочный инструмент; 4 — источник питания для нагрева сварочного инструмента. 

   Лазерная сварка находит применение при монтаже различных элементов радиоэлектронной техники и при герметизации корпусов. Для микросварки наиболее широко используются лазеры на твердом теле (стекло с неодимом, алюмоиттриевый гранат) с энергией излучения 2—30 Дж и длительностью импульса 1—10 мс.

   Электронно-лучевая  сварка успешно применяется для  герметизации радиоэлектронных устройств  в металлостеклянных корпусах. Обычно используется импульсная сварка при ускоряющем напряжении 20—100 кВ и силе тока в луче до нескольких десятков миллиампер.

   Диффузионная  сварка в вакууме и в водороде начинает применяться в производстве микросхем для сварки термокомпенсаторов кристаллов и на других операциях.

   Выполнение  соединений в микросхемах. Применяется  несколько схем монтажа полупроводниковых приборов и интегральных схем, в которых для соединения используются различные способы микросварки.

   Наиболее  широко распространенной схемой монтажа  является соединение контактных площадок полупроводникового кристалла прибора, полученного по пленарной технологии, с внешними выводами корпуса с помощью гибких проводников. Один конец круглого проводника из алюминия или золота диаметром 10—300 мкм должен быть приварен к тонкой металлической пленке из алюминия или золота, напыленной на окисленный кремний, а другой — к золоченому или алюминированному ковару или к золоченой толстой пленке на керамическом основании корпуса.

   При сборке кремниевых бескорпусных диодов плоские медные золоченые выводы присоединяют непосредственно к  полупроводнику микросваркой давлением с образованием эвтектики.

   Последовательность  выполнения операций монтажа проволочных  соединений между контактными площадками интегральных схем или транзисторов и выводами корпуса различными способами  приведена в табл. 33.

   При сварке термокомпрессией, косвенным импульсным нагревом и ультра-П) звуком можно применять все варианты монтажа. При односторонней контактной сварке приемлемой является только сварка внахлестку по первым двум вариантам.

   В гибридных интегральных схемах гибкие проводники сваривают с металлическими пленками (тонкими и толстыми), напыленными или выращенными гальванически на диэлектрических подложках (ситалл, поликор, алюмокерамика).