Особенности процесса сборки

СБОРКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Особенности процесса сборки

Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является наиболее трудоемким и ответственным технологическим этапом в общем цикле их изготовления. От качества сборочных операций в сильной степени зависят стабильность электрических параметров и надежность готовых изделий.

Этап сборки начинается после завершения групповой обработки полупроводниковых пластин по планарной технологии и разделе­ния их на отдельные элементы (кристаллы). Эти кристаллы, могут иметь простейшую (диодную или транзисторную) структуру или включать в себя сложную интегральную микросхему (с большим количеством активных и пассивных элементов) и поступать на сборку дискретных, гибридных или монолитных композиций.

Трудность процесса сборки заключается в том, что каждый класс дискретных приборов и ИМС имеет свои конструктивные особенности, которые требуют вполне определенных сборочных операций и режимов их проведения.

Процесс сборки включает в себя три основные технологические операции: присоединение кристалла к основанию корпуса; присоединение токоведущих выводов к активным и пассивным элементам полупроводникового кристалла к внутренним элементам корпуса; герметизация кристалла от внешней среды.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Присоединение кристалла полупроводникового прибора или ИМС к основанию корпуса проводят с помощью процессов пайки, приплавления с использованием эвтектических сплавов и приклеи­вания.

Основным требованием к операции присоединения кристалла является создание соединения кристалл -основание корпуса, об­ладающего высокой механической прочностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Пайка - процесс соединения двух различных деталей без их расплавления с помощью третьего компонента, называемого при­поем. Особенностью процесса пайки является то, что припой при образовании паяного соединения находится в жидком состоянии, а соединяемые детали - в твердом.

На рис. 1, а показан вариант присоединения кристалла ИМС, имеющего медные облуженные кон­тактные выступы, к подложке. Та­кая конструкция выводов не боится растекания припоя по подложке. Наличие высокого грибообразного выступа обеспечивает необходимый зазор между полупроводниковым кристаллом и подложкой при расплавлении припоя. Это позволяет проводить присоединение кристалла к подложке с высокой степенью точ­ности.

На рис. 1, в показан вариант сборки кристаллов, имеющих мяг­кие столбиковые выводы из припоя на основе олово-свинец.

П
рисоединение такого кристалла к основанию корпуса проводят обычным нагревом без дополнитель­ного давления на кристалл. Припой контактных выступов при нагрева­нии и расплавлении не растекается по поверхности облуженных участ­ков основания корпуса за счет сил поверхностного натяжения. Это, кроме того, обеспечивает определен­ный зазор между кристаллом и под­ложкой.

Рассмотренный метод присоединения кристаллов ИМС к осно­ванию корпуса или к какой-либо плате позволяет в значительной степени механизировать и автоматизировать технологический про­цесс сборки.

Приплавление с использованием эвтектических сплавов. Этот способ присоединения полупроводниковых кристаллов к основанию корпуса основан на образовании расплавленной зоны, в которой происходит растворение поверхностного слоя полупроводникового материала и слоя металла основания корпуса.

В промышленности широкое применение получили два эвтекти­ческих сплава: золото-кремний (температура плавления 370°С) я золото-германий (температура плавления 356°С). Процесс эвтектического присоединения кристалла к основанию корпуса имеет две разновидности. Первый вид основан на использовании прокладки из эвтектического сплава, которая располагается между соединяемыми элементами: кристаллом и корпусом. В этом виде соединения поверхность основания корпуса должна иметь зо­лотое покрытие в виде тонкой пленки, а поверхность полупроводни­кового кристалла может не иметь золотого покрытия (для кремния и германия) или быть покрытой тонким слоем золота (в случае присоединения других полупроводниковых материалов). При на­греве такой композиции до температуры плавления эвтектического сплава между соединяемыми элементами (кристалл-основание корпуса) образуется жидкая зона. В этой жидкой зоне происходит с одной стороны растворение слоя полупроводникового материала кристалла (или слоя золота, нанесенного на поверхность кри­сталла).

После охлаждения всей системы (основание корпуса - эвтектический расплав-полупроводниковый кристалл) происходит за­твердевание жидкой зоны эвтектического сплава, а на границе полупроводник-эвтектический сплав образуется твердый раствор. В результате этого процесса создается механически прочное соеди­нение полупроводникового материала с основанием корпуса.

Второй вид эвтектического присоединения кристалла к основа­нию корпуса обычно реализуется для кристаллов из кремния или германия. В отличие от первого вида для присоединения кристал­ла не используется прокладка из эвтектического сплава. В этом случае жидкая зона эвтектического расплава образуется в резуль­тате нагрева композиции позолоченное основание корпуса-кри­сталл кремния (или германия). Рассмотрим подробнее этот процесс. Если на поверхность основания корпуса, имеющего тонкий слой золотого покрытия, поместить кристалл кремния, не имеющий золотого покрытия, и всю систему нагреть до температуры на 40-50°С выше температуры эвтектики золото-кремний, то между соединяемыми элементами образуется жидкая фаза эвтектического состава. Так как процесс сплавления слоя золота с кремнием явля­ется неравновесным, то количество кремния и золота, растворив­шихся в жидкой зоне, будет определяться толщиной золотого по­крытия, температурой и временем проведения процесса сплавления. При достаточно больших выдержках и постоянной температуре процесс сплавления золота с кремнием приближается к равновес­ному и характеризуется постоянным объемом жидкой фазы золо­то-кремний. Наличие большого количества жидкой фазы может привести к вытеканию ее из-под кристалла кремния к его перифе­рии. При затвердевании вытекшая эвтектика приводит к образова­нию достаточно больших механических напряжений и раковин в структуре кристалла кремния, которые резко снижают прочность сплавной структуры и ухудшают ее электрофизические параметры.

При минимальных значениях времени и температуры сплавление золота с кремнием происходит не равномерно по всей площади соприкосновения кристалла с основанием корпуса, а лишь в ее от­дельных точках.

В результате этого уменьшается прочность сплавного соедине­ния, увеличиваются электрическое и тепловое сопротивления кон­такта и снижается надежность полученной арматуры.

Существенное влияние на процесс эвтектического сплавления оказывает состояние поверхностей исходных соединяемых элемен­тов. Наличие загрязнений на этих поверхностях приводит к ухуд­шению смачивания контактирующих поверхностей жидкой фазой и неравномерному растворению.

Приклеивание-это процесс соединения элементов друг с дру­гом, основанный на клеящих свойствах некоторых материалов, которые позволяют получать механически прочные соединения между полупроводниковыми кристаллами и основаниями корпусов (металлическими, стеклянными или керамическими). Прочность склеивания определяется силой сцепления между клеем и склеива­емыми поверхностями элементов.

Склеивание различных элементов интегральных схем дает воз­можность соединять самые разнообразные материалы в различных сочетаниях, упрощать конструкцию узла, уменьшать его массу, снижать расход дорогостоящих материалов, не применять припоев и эвтектических сплавов, значительно упрощать технологические процессы сборки самых сложных полупроводниковых приборов и ИМС.

В результате приклеивания можно получать арматуры и слож­ные композиции с электроизоляционными, оптическими и токопроводящими свойствами. Присоединение кристаллов к основанию корпуса с помощью процесса приклеивания незаменимо при сборке и монтаже элементов гибридных, монолитных и оптоэлектронных схем.

При приклеивании кристаллов на основания корпусов применя­ют различные типы клеев: изоляционные, токопроводящие, светопроводящие и теплопроводящие. По активности взаимодействия между клеем и склеиваемыми поверхностями различают полярные (на основе эпоксидных смол) и неполярные (на основе полиэти­лена).

Качество процесса приклеивания в значительной степени зави­сит не только от свойств клея, но и от состояния поверхностей склеиваемых элементов. Для получения прочного соединения необ­ходимо тщательно обработать и очистить склеиваемые поверхно­сти. Важную роль в процессе склеивания играет температура. Так, при склеивании элементов конструкций, которые не подвергаются в последующих технологических операциях воздействию высоких температур, можно использовать клеи холодного отверждения на эпоксидной основе. Для приклеивания кремниевых кристаллов к металлическим или керамическим основаниям корпусов обычно используют клей ВК-2, представляющий собой раствор кремний-органической смолы в органическом растворителе с мелкодиспергированным асбестом в качестве активного наполнителя или ВК-32-200, в котором в качестве наполнителя используют стекло или кварц.

Технологический процесс приклеивания полупроводниковых кристаллов проводят в специальных сборочных кассетах, обеспе­чивающих нужную ориентацию кристалла на основании корпуса и необходимое прижатие его к основанию. Собранные кассеты в зависимости от используемого клеящего материала подвергают определенной термической обработке или выдерживают при ком­натной температуре.

Особые группы составляют электропроводящие и оптические клеи, используемые для склеивания элементов и узлов гибридных и оптоэлектронных ИМС. Токопроводящие клеи представляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийорганических смол с добавлением порошков серебра или никеля. Среди них наи­более широкое распространение получили клеи АС-40В, ЭК-А, ЭК-Б, К-3, ЭВТ и КН-1, представляющие собой пастообразные жидкости с удельным электрическим сопротивлением 0,01- 0,001 Ом-см и диапазоном рабочих температур от -60 до +150°С. К оптическим клеям предъявляют дополнительные требования по значению коэффициентов преломления и светопропускания. Наи­более широкое распространение получили оптические клеи ОК.-72 Ф, ОП-429, ОП-430, ОП-ЗМ.

Основными параметрами режима термокомпрессионной сварки являются удельное давление, температура нагрева и время сварки, Удельное давление выбирают в зависимости от допустимого на­пряжения сжатия кристалла полупроводника и допустимой дефор­мации материала привариваемого вывода. Время сварки выбирают экспериментальным путем.

Относительная деформация при термокомпрессионной сварке

,

где d-диаметр проволоки, мкм; b-ширина соединения, мкм.

Давление на инструмент определяют, исходя из распределения напряжений на стадии завершения деформации:

,

г
де A-коэффициент, характеризующий изменение напряжений в процессе деформации проволоки; f-приведенный коэффициент трения, характеризующий трение между инструментом, проволо­кой и подложкой; -относительная деформация; -предел те­кучести материала проволоки при температуре деформации; d- диаметр проволоки;D-диаметр прижимного инструмента, рав­ный обычно (2ч3)d.

Рис. 2. Номограмма для выбора режимов термокомпрессионной сварки:

а- золотой проволоки с плёнкой алюминия; б- алюминиевой проволоки с плёнкой алюминия

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.

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.

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.

Холодная сварка. Метод герметизации холодной сваркой широко используется в электронной промышленности. В тех случаях, когда при герметизации исходных деталей корпусов недопустим их на­грев и требуется высокая чистота процесса, применяют холодную сварку-сварку под давлением. Кроме того, холодная сварка обес­печивает прочное герметичное соединение наиболее часто исполь­зуемых разнородных металлов (меди, никеля, ковара и стали).

К недостаткам данного метода следует отнести наличие значи­тельной деформации деталей корпусов в месте соединения, что приводит к существенному изменению формы и габаритных разме­ров готовых изделий.

Изменение наружного диаметра корпуса прибора зависит от толщины исходных свариваемых деталей. Изменение наружного диаметра готового прибора после проведения процесса холодной сварки

,

где - толщина буртика верхней детали до сварки; - толщи­на буртика нижней детали до сварки.

Большое значение для проведения процесса холодной сварки имеет наличие на поверхности соединяемых деталей пленки оксида. Если эта пленка пластичная и более мягкая, чем основной металл, то под давлением она растекается во все стороны и утоньшается, разделяя тем самым чистые металлические поверхности, в резуль­тате чего сварка не происходит. Если оксидная пленка более хруп­кая и твердая, чем покрываемый ею металл, то под давлением она трескается, причем растрескивание происходит одинаково на обеих соединяемых деталях. Загрязнения, имевшиеся на поверхности пленки, оказываются упакованными с обеих сторон в своеобразные пакеты, прочно зажатые по краям. Дальнейшее увеличение давле­ния приводит к растеканию чистого металла к периферийным уча­сткам. Наибольшее растекание происходит в серединной плоскости образовавшегося шва, благодаря чему все пакеты с загрязнения­ми вытесняются наружу, а чистые поверхности металла, всту­пая в межатомные взаимодействия, прочно сцепляются друг с другом.

Таким образом, хрупкость и твердость-это основные качества оксидной пленки, обеспечивающие герметичное соединение. Так как у большинства металлов толщина покрытия оксидными плен­ками не превосходит 10-7 см, детали из таких металлов перед сваркой никелируют или хромируют. Пленки никеля и хрома об­ладают достаточной твердостью и хрупкостью и, следовательно, значительно улучшают сварное соединение.

Перед проведением процесса холодной сварки все детали обез­жиривают, промывают и сушат. Для образования качественного соединения двух металлических деталей необходимо обеспечить достаточную деформацию, пластичность и чистоту свариваемых деталей.

Степень деформации К при холодной сварке должна находить­ся в пределах 75—85%:

,

где 2Н-суммарная толщина свариваемых деталей; t-толщина сварного шва.

Прочность сварного соединения

,

где Р - усилие разрыва; D - диаметр отпечатка выступа пуансо­на; Н - толщина одной из свариваемых деталей с наименьшим размером; -предел прочности на растяжение с наименьшим значением.

Для деталей корпусов при холодной сварке рекомендуются сле­дующие сочетания материалов: медь МБ-медь МБ, медь МБ-медь М1, медь МБ—сталь 10, сплав Н29К18 (ковар) -медь МБ, ковар-медь М1.

Критические давления, необходимые для пластической дефор­мации и холодной сварки, например для сочетания медь-медь, составляют 1,5*109 Н/м2, для сочетания медь - ковар они равны 2*109 Н/м2.

Герметизация пластмассой. Дорогостоящую герметизацию стек­лянных, металлостеклянных, металлокерамических и металлических корпусов в настоящее время успешно заменяют пластмассовой герметизацией. }В ряде случаев это повышает надежность приборов и ИМС, так как устраняется контакт полупроводникового кристал­ла с газовой средой, находящейся внутри корпуса.

Пластмассовая герметизация позволяет надежно изолировать кристалл от внешних воздействий и обеспечивает высокую механи­ческую и электрическую прочность конструкции. Для герметизации ИМС широко используют пластмассы на основе эпоксидных, крем-нийорганических и полиэфирных смол.

Основными методами герметизации являются заливка, обвола­кивание и опрессовка под давлением. При герметизации заливкой используют полые формы, в которые помещают полупроводниковые кристаллы с припаянными внешними выводами. Внутрь форм за­ливают пластмассу.

При герметизации приборов обволакиванием берут два (или более) вывода, изготовленных из ленточного или проволочного ма­териала, соединяют их между собой стеклянной или пластмассовой бусой и на один из выводов напаивают полупроводниковый кри­сталл, а к другому (другим) выводу присоединяют электрические контактные проводники. Полученную таким образом сборку герме­тизируют обволакиванием пластмассой.

Наиболее перспективным путем решения проблемы сборки и герметизации приборов является герметизация кристаллов с актив­ными элементами на металлической ленте с последующей гермети­зацией пластмассой. Преимущество этого метода герметизации со­стоит в возможности механизации и автоматизации процессов сбор­ки различных типов ИМС. Основным элементом конструкции пласт­массового корпуса является металлическая лента. Для выбора профиля металлической ленты необходимо исходить из размеров кристаллов, тепловых характеристик приборов, возможности мон­тажа готовых приборов на печатную плату электронной схемы, максимальной прочности на отрыв от корпуса, простоты конст­рукции.

Технологическая схема пластмассовой герметизации прибора включает в себя основные этапы планарной технологии. Присоеди­няют полупроводниковые кристаллы с активными элементами к металлической ленте, покрытой золотом, эвтектическим сплавле-нием золота с кремнием или обычной пайкой. Металлическую ленту изготовляют из ковара, меди, молибдена, стали, никеля.

 

Приложения

Р
ис. 3. Схема сборки веерного типа

 

Р
ис. 4. Схема сборки с базовой деталью

 

Р
ис. 5. Схема сборки (а) и разрез ИС (б) в круглом корпусе:

1-балон; 2-соединительные проводники; 3-кристалл; 4-контактные площадки; 5-припой; 6-колпачёк ножки; 7-стекло; 8-выводы; 9-спай выводов со стеклом; 10-соединение электроконтактной сваркой баллона и ножки; 11-металлизационный слой (шина)

 

Рис. 6. Схема соединения (сборки) кристалла с шариковыми выводами и подложки пайкой:

1
-кристалл; 2-контактная площадка; 3-стекло; 4-шарик медный; 5-медная подушка; 6-припой (высокотемпературный); 7-припой (низкотемпературный); 8-вывод из сплава AgPb; 9-подложка.

Рис. 7. Схема соединения (сборки) кристалла с балочными выводами и подложки пайкой:

1-золотой балочный вывод; 2-силицид пластины; 3-кристалл; 4-нитрид кремния; 5-платина; 6-титан; 7-подложка; 8-золотая контактная площадка.

 

 

Рис. 8. Схема линии сборки интегральных схем

На линии сборки используют трансферные ленты. Сборка и транспортировка осуществляются на коваровой ленте, которую на участках Л и Б подвергают фотолитографии для получения выво­дов 2 (рис. 10, а). На участкахВ, Г и Д на базе ленты с выводны­ми рамками изготавливают корпуса приборов с золочеными выво­дами. Отрезки ленты с корпусами поступают на сборку. Лента 2, сматываясь с катушки 1, подвергается промывке и обезжириванию в ванне 3 и нанесению фоторезиста в ванне 4, экспонированию в установке 5 с помощью ультрафиолетовой лампы 7. Роль маски в установке выполняет непрерывно движущаяся синхронно с лентой 2лента 6. Затем ленты промывают в ваннах 8 и 9. Выводы рамки 2 (рис. 10, а) и перфорационные отверстия вытравливают в ванне 10. Слой фоторезиста удаляют в ванне 11, и на выходе ленту сушат. Полученные перфорационные отверстия используют для натяжения и перемещения ленты с помощью звездочки 12. В установке 13 на коваровую ленту с выводами приклеивают с двух сторон трансферную ленту со слоем припоечного стекла. Полученная система обжи­гается, адгезивный слой выгорает, а стекло спаивается с металлом основной ленты (рис. 10, б). Охлаждение до комнатной темпе­ратуры производят в камере 14. С помощью устройства 15 на стеклянные слои приклеивают маскирующие ленты с окнами, через ко­торые в ванне16 осуществляют вытравливание полостей до обна­ружения внутренних выводов (рис. 10, е).

П
олученные таким образом из металлической и стеклянных лент корпусные блоки подают в ванну 17 для золочения выводов. На устройстве 18 лента режется на отрезки с корпусами, которые по конвейеру 19 подаются на сборку. Кристалл с готовыми структура­ми методом перевернутого монтажа лицевой стороной вниз с по­мощью шариковых выступов присоединяют к системе выводов внут­ри полученного корпуса (рис. 10, г). Герметизацию корпуса в за­щитной среде производят отрезками коваровой ленты 7, которые припаивают к основанию с помощью стекла, нагреваемого инстру­ментом (рис. 10, д). Полученная микросхема представлена на рис. 10, е

Рис. 9. Трансферная лента:

1-несущий слой; 2-трансферный слой; 3-адгезивный слой; 4-антиадгезивная бумага

Р
ис. 10. Схема автоматизированной сборки ИС на ленте:

1-лента-носитель; 2- выводы (после травления); 3- перфорация для перемещения ленты; 4-стеклянная лента-припой; 5-полость корпуса ИС; 6-кристалл с гото­выми структурами; 7 - корпус; 8-крышка; 9-нагревательный инструмент