Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

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 полупроводникового прибора. Даже небольшое различие в коэффициентах термического расширения может привести к образованию микротрещин и разгерметизации готового прибора.

Для осуществления пайки стекла с металлом для получения герметичных спаев необходимо: подбирать компоненты с одинаковыми коэффициентами термического расширения; применять стеклянный припой в виде суспензии с металлическим порошком; постепенно переходить от металла к основному стеклу с помощью промежуточных стекол; металлизировать поверхность стекла.

Для получения герметичных спаев стекла с металлом используют три способа нагрева исходных деталей: в пламени газовой горелки, с помощью токов высокой частоты, в муфельных или силитовых печах. Во всех случаях процесс проводят на воздухе, так как наличие оксидной пленки способствует процессу пайки.

Электроконтактная сварка. Этот процесс широко используется для герметизации корпусов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Она основана на расплавлен ни определенных частей соединяемых металлических деталей за счет прохождения через них электрического тока. Сущность процесса электроконтактной сварки состоит в том, что к свариваемым деталям подводят два электрода, на которые подают определенное напряжение. Так как площадь электродов значительно меньше, чем площадь свариваемых деталей, то при прохождении через всю систему электрического тока в месте соприкосновения свариваемых деталей, 'находящихся под электродами, выделяется большое количество теплоты. Это происходит за счет большой плотности тока в малом объеме материала свариваемых деталей. Большие плотности тока разогревают контактные участки до расилавления определенных зон исходных материалов.

При прекращении действия тока температура контактных участков снижается, что влечет за собой остывание расплавленной зоны и ее рекристаллизацию. Полученная таким образом рекристаллизационная зона герметично соединяет однородные и разнородные металлические детали друг с другом.

Форма сварного шва зависит от геометрической конфигурации рабочих электродов. Если электроды выполнены виде заостренных стержней, то сварка получается точечной. Если электроды в виде трубки, то сварочный шов имеет форму кольца. При пластинчатой форме электродов сварочный шов имеет вид полосы.

Большое значение для качественной герметизации корпусов приборов электросваркой имеет материал, из которого изготовляют рабочие электроды. К материалу электродов предъявляют повышенные требования по тепло- и электропроводности, а также по механической прочности. Для удовлетворения этих требований электроды делают комбинированными, выполненными из двух материалов, один из которых обладает высокой теплопроводностью, а другой механической прочностью. Широкое распространение получили электроды, основание которых изготовлено из меди, а сердечник (рабочая часть) - из сплава вольфрама с медью.

Наряду с комбинированными используют электроды, выполненные из однородного металла или сплава. Так, для сваривания стальных деталей используют электроды из меди (М1 и МЗ) и бронзы (0,4-0,8% хрома, 0,2-0,6% цинка, остальное-медь). Для сварки материалов с высокой электропроводностью (медь, серебро и т. п.) применяют электроды из вольфрама и молибдена.

Электроды должны хорошо прилегать друг к другу по рабочим свариваемым поверхностям. Наличие дефектов на рабочих поверхностях деталей (риски, вмятины, раковины и т. п.) приводит к неравномерному разогреву свариваемых участков деталей и образованию негерметичного сварного шва в готовом изделии. Особое внимание следует уделять креплению электродов в электродержателях, так как при плохом креплении между ними возникает так называемое переходное сопротивление, которое приводит к разогреву самих электрододержателей. Электроды должны быть строго соосны между собой. Отсутствие соосности электродов приводит к возникновению брака при сварке.

Качество сварки в большой степени зависит от выбранного электрического и временного режима. При малом значении сварочного тока выделяющаяся теплота оказывается недостаточной для нагрева деталей до температуры плавления свариваемых металлов, в этом случае получается так называемый «непровар» деталей. При большом значении сварочного тока выделяется слишком большое количество теплоты, которое может расплавить не только место сварки, но и всю деталь, что связано с «пережогом» деталей и выплеском металла.

Большое значение имеет время прохождения сварочного тока через электроды и детали. Как только включается сварочный ток, в месте контакта начинается разогрев свариваемых деталей, причем точки плавления достигают только поверхностные слои металла. Если в этот момент выключить ток, то получится непрочная сварка. Чтобы получить прочный сварной шов, необходимо время для образования расплавленного ядра по всей локальной площадке свариваемых деталей. Перегрев ядра расплавленного металла приводит к его разрастанию и выплеску металла наружу. В результате этого могут образовываться раковины, которые резко снижают механическую прочность и герметичность сварных швов.

Перед проведением процесса электроконтактной сварки все детали корпусов интегральных схем подвергают тщательной обработке (промывке, обезжириванию, травлению, зачистке и т. п.).

Качество сварки контролируют внешним осмотром и с помощью поперечных разрезов сваренных изделий. Основное внимание уделяется механической прочности и герметичности сварных швов.

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.