Электрод, 2-сопло, 3,5-теплоотводы крышки и основания, корпус микросхемы, 6-плита

При микроплазменной сварке, которая является разновидностью аргонно-дуговой, локализа­ция и стабилизация плазменного луча достигается с помощью сопла 2 с диаметром выходного отверстия менее 1 мм. Так как возбуждение дугового разряда между электродом 1 и свариваемым изделием (фланцы корпуса 7 микросхемы) через узкое сопло невозможно, вначале возбуждают вспомогательную дугу; между электродом 1 и соплом 2,включенным через токоограничительный резистор. Образующаяся при этом низкотемпературная плазма (10 000 К) возбуждает новую дугу между электродом и изделием. При одинаковых полярностях потенциалов изделия исопла и электрода вспомогательный разряд шунтируется и гаснет. Установка микроплазменной сварки МПУ4 может работать; как в непрерывном, так и импульсном режимах постоянного тока. Ток основной дуги сос­тавляет 1,5-30 А, ток вспомогательной - до 6 А. Плазмообразующим и защитным газом чаще всего служит аргон.

При корпусной герметизации применяют также пайку припоями и стеклом.

Рис 4. Микроплазменная горелка.

Элетрод, 2-сопло, 3,5- плазмообразующий и защитный газы, 4-корпус плазмотрона, 6-теплоотвод, 7-фланцы корпуса ИМС.

Термокомпрессионная сварка представляет собой сварку давлением с подог­ревом. Необходимое давление прикладывают к инструменту (рис. 5), а рабочая тем­пература обеспечивается нагревом либо инструмента, либо рабочего стола с изделием, либо того и другого одновременно. Рабочая температура поддерживается постоянной в течение всего времени работы установки.

Пластические, деформации, возникающие в зоне контакта соединяемых деталей, способствуют вытеснению адсорбированных газов и загрязнений. В результате обна­жения чистых поверхностей становится возможным электронное взаимодействие со­единяемых материалов (образование межатомных связей). Получению прочного соеди­нения способствует также ограниченная взаимная диффузия материалов и образование твердого раствора в тонкой приграничной области.

Во избежание разрушения соединения вследствие остаточных напряжений мате­риал проволоки должен быть пластичным. С этой целью проволоку предварительно подвергают рекристаллизационному отжигу.

Наилучшей свариваемостью обладают пары Ag - Аu и Аu - Сu, так как им при­суща высокая взаимная диффузия. При сварке Аи и А1 взаимная диффузия приводит к образованию интерметаллических соединений, некоторые из которых обладают хрупкостью или рыхлостью. Удовлетворительной сварки не уда­ется достичь на кремниевых подложках вследствие каталитического влияния кремния.

Термокомпрессионную сварку выполняют при невысоких удельных давлениях и температурах. Поэтому для получения больших пластических деформаций диаметр вы­вода не должен превышать 100 -130 мкм. Важным условием выполнения качественно­го соединения является тщательная подготовка поверхности соединяемых деталей (травление, обезжиривание), а также защита их от окисления в процессе сварки (применение защитной среды азота, аргона, и т.д.).

Тип термокомпрессионного соединения (форма и размеры деформируемого уча­стка вывода) зависит от размеров и конструкции инструмента. Возможны два основных типа соединения: внахлестку и встык.

Рис. 5. Образование проволочных перемычек при

 термокомпрессионной сварке капиллярным инструментом:

Совмещение проволоки и инструмента с контактной площадкой; 2 - сварка первой точки; 3 - совмещение проволоки и инструмента с контактной площадкой; 4 - сварка второй точки; 5 - обрезка проволоки.

На рис. 5. показана последовательность образования проволочной перемычки между контактной площадкой и внешним выводом корпуса при использовании капил­лярного инструмента для соединения внахлестку (рис 5 а) и встык (рис. 5 б). Во втором случае обрезка проволоки (электричкой дугой или газовой горелкой) сопровож­дается образованием шарика.

Соединения внахлестку (рис. 5а) реализуют, например, на установке ЭМ-407. Рабочий стол (он же нагреватель) имеет перемещение в горизонтальной плоскости в пределах 15x15 мм. Перед сваркой обе контактные площадки выставляют параллель­но линии перекрестия окуляра микроскопа. Точность совмещения инструмента с кон­тактной площадкой ± 3 мкм. Температура нагрева рабочей зоны до 400 ± 5°С. Величина давления 20 -180 г., во время выдержки при сварке 1 -10 с. Подъем инструмента после окончания выдержки - автоматический. При втором подъеме инструмента производит­ся обрыв проволоки.

На установке ЭМ-405 соединения выполняют методом свалки встык (рис. 5б). После сварки вывод отрезают ножницами. Оплавление шарика (диаметр 0,1-0,12) на конце проволоки, выходящей из инструмента, производится электрической дугой. Спе­циальный механизм обеспечивает автоматическое подтягивание проволоки с шариком к торцу инструмента при его опускании. Первую сварную точку выполняют встык, вто­рую - внахлестку. Длина проволочной перемычки (регулируемая) в пределах 3-8 мм.

—

 

 

 

Рис. 6. Схема термокомпрессионной сварки с подогревом инструмента: 1 - рабочий стол, 2 - под­ложка с тонкой пленкой, 3 - инструмент с нагревателем, 4 - проволочный проводник .

Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИП) отличается от компрессионной сварки тем, что разогрев рабочей зоны осуществляется только в мо­мент сварки импульсом тока, проходящего непосредственно через инструмент. Благодаря этому имеется возможность получить более высокий локальный нагрев проводни­ка и, следовательно, сваривать малопластичные материалы. СКИН обладает более ши­рокими технологическими возможностями и позволяет получать качественные соеди­нения золотых, алюминиевых и медных проводников (диаметром до 100 мкм) с плёнками многих материалов.

Для выполнения СКИН инструмент должен иметь V-образную форму; причем максимальная температура должна быть на рабочем торце. Для нагрева инструмента может быть использован импульс постоянного или переменного тока. Для смягчения термоудара на пленочную контактную площадку целесообразен сопутст­вующий подогрев изделия (т. е. рабочего стола).

В отличие от термокомпрессии процесс взаимной диффузии при СКИН играет более существенную роль в образовании соединения. При выполнении СКИН в начале прикладывается давление. Затем через инструмент подается импульс тока длительно­стью от 0,01 до нескольких секунд. Под действием температуры торца инструмента происходит локальный разогрев проволоки, уменьшение предела пластичности, осадка проволоки и соединение. При соединении, например, алюминиевой проволоки с алю­миниевой, золотой и медной пленкой температура в зоне сварки должна составлять со­ответственно 400, 490 и 560°С.

Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом является разновидностью контактной точечной электросварки, приспособленной к особенностям соединений в микросхемах. Малые площади соединений и малая толщина пленок требуют локализа­ции нагрева при одностороннем расположении электродов. Инструмент (рис.8) представляет собой два электрода с шириной рабочей части (торца) каждого электрода 0,1 мм, разделенных изолирующей прослойкой толщиной порядка 0,05 мм.

Рис. 7. Схема сварки давлением с косвенным импульсным нагревом

Рис. 8. Схема сварки сдвоенным электродом

В процессе сварки проволочный проводник на участке под инструментом явля­ется составной частью электрической цепи. Разогрев проводника осуществляется за счет выделения тепла в месте контактов проволока - электроды. В зависимости от ус­ловий сварки (длительности, мощности и скважности импульсов и времени выдержки под током) могут иметь место следующие механизмы соединения:

1) соединение в твердой фазе в результате рекристаллизации соединяемых материа­лов и прорастания зерен через поверхность раздела;

2) соединение ниже температуры рекристаллизации за счет электронного взаимо­действия и атомного сцепления;

3) соединение в жидкой фазе в результате расплавления.

Воспроизводимость качества соединения существенно зависит от повторяемости величины электрического сопротивления в месте контакта. Поэтому сварочные уста­новки предусматривают автоматическое регулирование усилия давления (0,3 -1 кГ) ин­струмента по заданному контактному сопротивлению. Условием получения качествен­ного соединения является также деформация проводника не менее 40%.

Рис. 9. Схема ультразвуковой сварки с косвенным импульсным нагревом

Ультразвуковая сварка является разновидностью сварки давлением (холод­ной или с косвенным нагревом).

Ультразвуковые колебания возбуждаются в магнитострикционном преобразо­вателе и с помощью волновода (концентратора), служащего для увели­чения амплитуды, и сварочного инструмента передаются свариваемым деталям. Энер­гия колебаний преобразуется в сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При превышении предела упругости материала в зоне контакта возникают пластические деформации, и плёнка окисла разрушается, обнажая чистую поверхность. При этом ма­териалы схватываются за счет электронного взаимодействия.

Косвенный нагрев инструмента облегчает пластические деформации и улучшает качество соединения. Вначале осуществляется сдавливание соединяемых деталей, да­лее пропускается импульс тока через инструмент, а затем (или одновременно) создают­ся ультразвуковые колебания.

К преимуществам ультразвуковой сварки можно отнести: невысокую температу­ру в зоне контакта, возможность соединения трудносвариваемых разнородных мате­риалов (и даже диэлектриков) и невысокие требования к состоянию поверхности.

Ограничением метода является требование высокой пластичности материала проводника, так как деформация должна достигать 50 - 60%. Удельные давления долж­ны составлять несколько килограммов на 1 мм².

Основными параметрами процесса являются амплитуда колебаний (порядка 5 -10 мкм при частоте 40 - 60 кГц) и удельное давление. Время сварки должно быть опти­мальным: при малом времени физический контакт соединяемых поверхностей может оказаться малым, при большом времени наблюдается разрушение узлов схватывания.

Таблица 2. Свариваемость материалов при различных методах микросварки

 

 

Материал контактной площадки и подложки

Методы сварки и материалы проволочных выводов

Термокомпрессия нагретым инструментом

Сварка косвен­ным импульс­ным нагревом

Контактная сварка сдвоен­ным электродом

Ультра­звуковая сварка

Аu

А1

Сu

Аu

А1

Сu

Аu

А1

Сu

Аu

А1

Сu

Золотая плёнка с под­слоем нихрома на си-талле или стекле

++

+

++

++

+

++

++

++

++

+

Медная или никелевая плёнка с подслоем ни­хрома на ситалле .

++

+

++

++

+

++

+

++

+

+

Алюминиевая плёнка на ситалле или стекле

++

+

+

+

+

+

++

+

Примечание. ++ свариваются хорошо; + - свариваются удовлетворительно; - не сва­риваются.

В установке ЭМ-404 для ультразвуковой сварки использован инструмент капил­лярного типа, который может совершать продольные или крутильные колебания в за­висимости от установленного сменного волновода. Давление инструмента на сваривае­мые элементы регулируется в пределах 20-150 г, время сварки выдерживается с точно­стью ± 0,02 с. Ультразвуковой генератор может работать с частотой 58-65 кГц и с вы­ходной мощностью 0,1 - 28 Вт. На установке можно приваривать золотые, алюминие­вые и медные проволоки диаметром 20 -100 мкм. Установка имеет нагревательную ко­лонку, что позволяет работать с подогревом изделия.

В табл.2 приводятся данные по выбору метода соединения проволочных про­водников с тонкопленочными контактными площадками.

Роликовой сваркой можно сваривать корпуса большого размера и любой конфигурации. Одним из вариантов корпуса является сварка плоских корпусов двумя роликами, которые прокатываются по одной поверхности на небольшом расстоянии друг от друга. В этом случае сварка ведется по принципу односторонней контактной сварки с параллельным расположением электродов (роликов).

Электроннолучевая сварка для герметизации стала применять недавно и не нашла еще широкого распространения. Однако этот способ будет, безусловно, широко применяться благодаря ряду преимуществ перед другими способами герметизации.

Обычно при электроннолучевой сварке малых толщин зазор должен быть минимальным, так, при сварке деталей толщиной 0,3 мм зазор должен быть не менее 0,02 мм. Для уменьшения допусков на размеры зазора и воздействия сварки на металлостеклянные спаи необходимо разрабатывать специальную конструкцию корпусов и подготовку кромок. Наиболее рациональная форма кромок корпуса под сварку приведена на рис.9.1. При такой форме соединение происходит за счет взаимного расплавления металла крышки и основания. Глубина проплавления может достигать 0,5 мм, что обеспечивает герметичность изделия.

Рис 9.1. Форма кромок металлостеклянного корпуса под электроннолучевую сварку

Пайка.

 Герметизацию пайкой применяют в стеклянных (микросхемы серии К106 и др.) и керамических (микросхемы серии ТСМ) корпусах с плоскими планарными выводами (рис. 1.1, г, д). В первом случае стеклянное основание получают в форме (прессование стеклянного порошка с последующим оплавлением) одновременно с сис­темой выводов и коваровой рамкой. Во втором случае вначале изготавливают керами­ческое основание с пазами под выводы, а затем выполняют пайку стеклом коваровых выводов и рамки. В обоих случаях для облегчения изготовления основания корпуса плоские выводы объединены в общую систему с помощью технологической рамки. Впоследствии после выполнения внутреннего монтажа (перед электриче­ским контролем) технологическая рамка отрезается штампом, разобщая выводы микро­схемы.

Золотое покрытие на коваровой рамке позволяет получать надежное паяное со­единение с крышкой корпуса (никель, никелированная медь и др.). С этой целью на коваровую рамку укладывают рамку из припоя ПОС-61 толщиной 0,15 - 0,2 мм, устанав­ливают крышку, и корпус с микросхемой помещают на нагреватель, снабженный вибра­тором (50 Гц). Наличие бортика по контуру рамки исключает проникновение припоя внутрь корпуса.

Для пайки корпусов применяют автоматические и полуавтоматические установ­ки. На установке АГМП-1 (автомат герметизации микросхем пайкой) пайку выполняют в среде инертного газа. Корпуса устанавливают в кассеты, обеспечивающие регулируе­мое усилие прижима на крышку корпуса в пределах 3 -10 г. Кассеты, содержащие по 10 корпусов каждая, помещают в магазин (емкость магазина 20 кассет). Расплавление рамки припоя осуществляется импульсным нагревом в диапазоне регулируемых темпе­ратур (150 - 450) ± 3° С. Во избежание термоудара изделие подвергают предваритель­ному нагреву в пределах (100 - 200) ± 10° С. Время пайки (регулируемое) 5 -15 с с дис­кретностью 1 с.

Вибрация может быть наложена со смещением по времени от начала пайки на 2 -12с. Расход инертного газа давлением 1,5-2 ат. составляет 0,5 м³/ч. Производитель­ность установки 450 корпусов в час.

Пайка припоями выполняется при температурах 170—350 °С. Перед пайкой изделие облуживают расплавленным припоем или помещают его между соединяемыми деталями в виде прокладок, таблеток, колец и др. Далее корпуса гермети­зируют, применяя различные способы нагрева, необходимые для оплавления припоя.

При кондуктивном методе нагрева детали корпуса ИМС с прокладкой припоя между ними, предварительно обработанной раствором или расплавом флюса (канифоли), зажимают с не­большим усилием между двумя нагревательными плитами. Недостаток этого метода — значительный нагрев основания корпуса, на котором расположена ИМС, а также необходимость применения флюса, остатки которого трудно полностью удалить, и они могут попасть внутрь корпуса.

При обдуве струей горячего газа (азота или аргона) корпу­са со стороны крышки применение флюса исключается, так как пайка проводится в инертной атмосфере.

Конвективный нагрев применяют при крупносерийном и массовом производстве. Собранные детали корпусов сжимают и фиксируют на все время пайки, которую провопят в конвейерных печах с защитной средой. Скорость движения конвейера температурный режим печи (подъем температуры до заданной, выдержка и охлаждение) обеспечивают оптимальный цикл пайки.

Этот метод пайки достаточно прост и доступен, однако из-за высокой теплопроводности припоя необходимо нагревать весь корпус. Кроме того, прочность паяного шва обычно ниже проч­ности соединяемых материалов (меди, никеля и особенно ковара).

Пайку стеклом применяют не только для контакта кристаллов с корпусами и крепления внешних выводов к ке­рамическим основаниям, но и для соединения керамических крышек с основаниями. Это значительно упрощает конструкцию корпусов и сборку ИМС. При такой пайке в качестве припоев используют низкотемпературные стекла.

Пайку перемычек к контактным площадкам можно осуществлять с дозировани­ем припоя в процессе пайки или с предварительным лужением контактных площадок. Последний способ является более прогрессивным, так как предполагается нанесение припоя высокопроизводительным методом погружения. Такой способ используют, на­пример, в тонкопленочных гибридных схемах серии К217 (медные луженые контакты), а также в толстопленочных гибридных схемах серий К202, К204 (серебряные луженые контакты) и некоторых других.

Особенностью лужения тонкопленочных контактов является опасность их ос­лабления из-за растворения (диффузии) материала пленки в припой. Поэтому для лу­жения золотых и серебряных контактов применяют припой ПОС-61, модифицирован­ный золотом или серебром (3%). Температура плавления этих припоев 190° С.

Чтобы после облуживания и пайки избежать промывки микросхем, используют пассивные флюсы марок Ф1111 или ПлП.

Пайку можно осуществлять с помощью микропаяльников с косвенным импульс­ным нагревом (время импульса до 2 с), с автоматическим регулированием режима на­грева по температуре, для чего в конструкции паяльника предусмотрена термопара. Другой способ - пайка сдвоенным электродом, при котором тепло выделяется за счет прохождения тока через участок припоя, расположенный под зазором сдвоенного элек­трода.

Заливка.

В металлополимерных корпусах герметизацию микросхемы и изоля­цию выводов от корпуса осуществляют путем заливки металлического корпуса эпок­сидным компаундом. В конструкции, изображенной на рис. 1.1, е, корпус представляет собой дюралевый колпачок квадратной или прямоугольной формы (толстопленочные гибридные микросхемы серии К202, К204, К215 и др.), в который устанавливается ке­рамическая подложка с микросхемой и торцевыми выводами круглого сечения. Специ­ально сформированные выступы на внутренней поверхности колпачка удерживают подложку на некотором расстоянии от дна.

В другой конструкции (рис. 1.1, ж) в корпусе типа «пенал» располагается ситалловая подложка с тонкопленочной гибридной схемой (микросхемы серии МИГ), изо­лированной от стенок корпуса. В данном случае активные навесные приборы помеще­ны в кассету из алюминиевой фольги (с изолированной прокладкой), которая приклее­на к подложке. Такая конструкция обеспечивает дополнительную герметизацию актив­ных приборов и защиту их от непосредственного воздействия компаунда.

В металлополимерных корпусах целесообразно использовать свободную заливку компаундами холодного отверждения, которые обеспечивают относительно малую усадку, а время выдержки для полимеризации не является лимитирующим фактором.

Склеивание

Один из вариантов пластмассовых корпусов показан на рис. 1.1, з. Основание и крышка корпуса изготовлены из стеклопластика АГ-4 методом прессо­вания. Основание армировано торцевыми выводами круглого сечения. Герметизацию осуществляют путем склеивания крышки с основанием.

Надежная герметизация изделий от влияния внешней среды в корпусах этого типа определяется тремя основными параметрами: герметичностью выводов в основании корпуса, герметичностью соединения крышки с основанием и скоростью натекания паров воды во внутренний объем при их диффузии через стенки корпуса (т.е. влажностными параметрами материала корпуса).

Как показывают исследования, пластмассовые корпуса, выполненные из разных материалов, резко отличаются по своим защитным свойствам. В табл. 3 приведены результаты испытаний на герметичность пластмассовых корпусов, изготовленных из пресс-порошков с различными физическими свойствами. Герметичность корпусов оценивалась по их влагостойкости после воздействия 10 термоциклов в диапазоне температур от –60 до +85°С и последующего увлажнения в среде с относительной влажностью 98±2% при температуре 40°С. Натекание влаги в корпуса регистрировалось ситалловыми датчиками влажности адсорбционного типа.

Таблица 3. Герметичность полых пластмассовых корпусов после воздействия термоциклов

Материал корпуса	Число негерметичных корпусов
К124-38	0
В4-70	15
К18-2	100
ЭФП-60АК	100

Нарушение герметичности корпусов в этом случае происходило в узле вывод-основание из-за механического разрушения пластмассы вокруг вывода вследствие возникновения внутренних напряжений. Для уменьшения этих напряжений необходимо, чтобы материал вывода имел как можно большее значение КТР, а материал корпуса – минимальное значение КТР и такие значения модуля упругости, которые обеспечивали бы необходимую жесткость конструкции и одновременно некоторую податливость материала при воздействии механических нагрузок.

Таблица 4. Сравнительные характеристики некоторых металлов и пластмасс

Материал	КТР, К-1	Модуль упругости, н/м2
Ковар	6*10-6	1,96*1011
Медь	16*10-6	1,18*1011
Латунь	18*10-6	9,3*1010
Пластмасса К124-38	(19…36)*10-6	7,15*109
Пластмасса В4-70	37*10-6	8,7*109
ЭФП-60АК	48*10-6	6,4*109

Как видно из данных табл. 4, таким требованиям в большей степени удовлетворяет латунь. Ее КТР близок к КТР материалов марок К124-38 и В4-70, которые получили наиболее широкое применение при изготовлении пластмассовых корпусов.

Источником внутренних напряжений является разность КТР материалов корпуса и вывода и колебания температуры при изготовлении и эксплуатации корпуса. Анализ напряженного состояния, проведенный на модели узла вывод-пластмасса и подтвержденный при испытании реальных образцов корпусов, показал, что в материале корпуса при изменении температуры возникают сжимающие и растягивающие напряжения, пропорциональные размерам вывода, модулю упругости пластмассы, КТР и градиенту температур. При этом растягивающие напряжения на границе пластмасса-вывод втрое превышают сжимающие. Расчет внутренних напряжений показал, что разгерметизация оснований корпусов вокруг выводов происходит в результате превышения внутренних напряжений предела прочности пластмассы на растяжение. Это хорошо видно из табл. 5, в которой приведены данные испытаний выводов, выполненных из разных материалов. Детали корпуса изготовляются прямым прессованием, а в основание заранее впрессовываются выводы. На выводе делается утолщение с проточкой в месте прохождения его через основание. Такая конструкция вывода повышает механическую прочность узла вывод-пластмасса, увеличивает путь проникновения влаги при возникновении дефектов в узле. Для получения более надежного клеевого соединения толщина боковых стенок основания корпуса должна составлять не менее 2 мм; толщина крышки и основания выбирается исходя из условий механической прочности корпуса и требований по его влагостойкости

Таблица 5. Экспериментальные данные испытаний металлических выводов на герметичность и прочность вырыва из пластмассы

Материал корпуса	Предел прочности при растяжении, Н/м2	Материал вывода	Внутренние напряжения на границе с выводом, Н/м2	Число негерметичных образцов, %	Прочность вывода на вырыв из образцов, Н
					герметичных	негерметичных
К124-38	8,13*107	Латунь	3,5*107	15,8	233,2	78,4
		Ковар	7,26*107	35,0	151,9	107,8
ЭФП-60АК	5,5*107	Латунь	7*107	20,0	81,3	50,9
		Ковар	1,34*108	30,0	102,9	47,0
К18-2	5,2*107	Латунь	1,38*108	40,0	66,0	50,0
		Ковар	1,85*108	70,0	109,8	33,3

К клеевому составу в этом случае предъявляются следующие требования: высокая адгезия к материалу корпуса, максимально близкое значение ТКР для клея и материала корпуса, высокая влагостойкость, малая вязкость клея, обеспечивающая получение клеевого шва толщиной 0,1…0,2 мм, умеренная температура отверждения (не более 70…80°С). Наиболее полно удовлетворяют таким требованиям эпоксидные клеи и компаунд с минеральным наполнителем (например, компаунд ЭК-16 «Б»). Перед нанесением компаунда торцы боковых сторон основания и край крышки по периметру зачищаются для получения шероховатой поверхности. После приклеивания крышки к основанию корпуса закрепляются в специальных зажимах для плотного соединения основания с крышкой.

Герметичные пластмассовые корпуса имеют достаточно высокую влагостойкость. Однако хотя экспериментально установленное время влагозащиты таких корпусов в ряде случаев составляет более 30 и даже 56 сут., их влагостойкость в настоящее время принимается равной 10 сут.

При организации производства изделий в полых пластмассовых корпусах необходимы операции изготовления деталей корпусов, сборки деталей и изделия и герметизации корпусов. Механизация этих операций     представляет значительные трудности, поэтому такие корпуса пока используются при производстве изделий небольшими партиями.