Технологічні особливості паяння та зварювання у виробництві інтегральних мікросхем

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ  ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Факультет електроніки та інформаційних технологій

 

Кафедра прикладної фізики

 

 

 

 

Курсова робота

з дисципліни: «Технологічні основи електроніки»

Технологічні особливості паяння та зварювання у виробництві інтегральних мікросхем

 

 

 

 

 

Студент гр.ЕП-11       Я.І.Рибальський

 

Науковий  керівник

к.ф.-м.н., доцент         Н.М. Опанасюк

 

 

 

Суми 2013

 

РЕФЕРАТ

 

Об’єктом  дослідження стали методи паяння та зварювання у виробництві інтегральних мікросхем.

Мета даної роботи полягає  у вивченні технологічних особливостей різних видів паяння та зварювання інтегральних мікросхем, технологічних операцій отримання нероз’ємних з’єднань під час герметизації та внутрішнього монтажу ІМС, процесів взаємної дифузії різних матеріалів і інших фізичних та хімічних явищ та процесів при виконанні паяних і зварних з’єднань.

В роботі проведені дослідження: зварюваності матеріалів при різних методах  мікрозварювання, причин неякісних з'єднань та дефектів при виконанні мікрозварювання, їх рішення, контроль на зварюваність (ОСТ 11 073.013-83 метод 109-4 )(обчислення коефіцієнтів реального розривного зусилля), візуальний контроль (ОСТ 11 073.013-83, метод 405-1.1)( критерій відбракування мікрозварних з’єднань, перевірка зварних з'єднань на міцність по ОСТ 11 073.013-83(метод 109-4-перевірка на зварюваність) та умов та термінів зберігання плат між операціями.

 

Робота  викладена на 34 сторінках, включаючи  15 рис.,  3  таблиці, список цитованої літератури складається із 13 джерел.

 

КЛЮЧОВІ СЛОВА: ЗВАРЮВАННЯ, ПАЯННЯ, ГЕРМЕТИЧНЕ З’ЄДНАННЯ, КОНТАКТНИЙ МАЙДАНЧИК, ПЛІВКА, ПІД’ЄДНАННЯ ВИВОДІВ.

 

 

 

 

 

ЗМІСТ

ВСТУП                                                                                                                     4 

РОЗДІЛ 1 ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ЗВАРЮВАННЯ………….5

1.1 Холодне зварювання………………………………………………………. 5                                                       

1.2  Електроконтактне конденсаторне  зварювання ( ЕКЗ)……………………7

1.3  Аргонно-дугове зварювання…………………………………………………8

1.4 Термокомпресійне зварювання………………………………………………9

1.5 Контактне зварювання розщепленим електродом……………………….12

1.6 Зварювання тиском з непрямим імпульсним нагрівом ( ЗНІН )………….13

1.7 Зварювання здвоєним (розщепленим) електродом………………………..14

1.8 Ультразвукове зварювання………………………………………………….15

1.9 Лазерне зварювання…………………………………………………………17

1.10 Типи установок для мікрозварювання…………………………………….19

1.11 Технологія термозвукового мікрозварювання методом «кулька - клин -кулька»…………………………………………………………………………....20

РОЗДІЛ 2 ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ПАЯННЯ………………...27

2.1 . Приєднання виводів  паянням……………………………………………...27

2.1.1 Холодна пайка……………………………………………………………29

2.2. Герметизація пайкою………………………………………………………30

2.2.1 Пайка припоями……………………………………………………………31

2.2.2 Пайка склом………………………………………………………………32

ВИСНОВКИ                                                                                                         33

СПИСОК  ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ                                                         34

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

У даній курсовій роботі розглядаються процеси, пов’язані  із під’єднанням виводів та герметизацією інтегральних мікросхем такі як зварювання та паяння.

Зварювання — це технологічний процес утворення нероз'ємного з'єднання між матеріалами при їх нагріванні та/або пластичному деформуванні за рахунок встановлення міжмолекулярних і міжатомних зв'язків.

Паяння (лютування) – це процес формування з’єднання з міжатомними зв’язками шляхом нагрівання матеріалів що лютуються нижче за температуру їхнього топлення, подальшого змочування їх припоєм, затікання припою в зазор між деталями з наступною його кристалізацією.

Піддаються огляду та опису  такі методи герметизації та під’єднання виводів, як: термокомпресія, зварювання непрямим імпульсним нагрівом, лазерне, холодне, аргонно-дугове, електроконтактне зварювання, герметизація ультразвуковим мікрозварюванням, холодна пайка, пайка припоями, склом та інші.

Також розглядаються й  аналізуються переваги і недоліки кожного  методу з точки зору споживання енергії, можливості автоматизації технологічного процесу герметизації, вартості обладнання та установок, здатності використання в масовому чи тільки вузькому та спеціалізованому виробництві, часу, який затрачується на герметизацію інтегральних мікросхем, робочих температур мікрозварювання, котрі можуть призвести до виходу з ладу напівпровідникового кристалу.

Мета роботи: описати найпоширеніші методи зварювання і пайки для виготовлення виводів та герметизації інтегральних схем, вивчити їх технологічні особливості.

 

 

 

РОЗДІЛ 1

ТЕХНОЛОГІЧНІ  ОСОБЛИВОСТІ ЗВАРЮВАННЯ

 

1.1 . Холодне зварювання

 

Холодне зварювання - це процес отримання нероз'ємного з'єднання  в результаті пластичної деформації двох деталей ( металоскля7ний корпус). При зближенні зварювальних деталей на відстань дії міжатомних сил між поверхневими атомами утворюються металеві зв'язки . Ступінь деформації зварюваних деталей повинен бути 75-85 %, тобто їх сумарна товщина після зварювання становить 15-25 % від початкової. Зусилля стиснення при холодному зварюванні залежить від пластичності матеріалів з'єднуваних деталей і контактної площі робочого інструмента ( пуансона ) , зазвичай виконаного з інструментальної сталі Х12 , ХВГ , ШХ13 або твердого сплаву ВК20 . Так , для з'єднання деталей з міді МБ або М1 питомий тиск повинен бути 1500-1800 Н/мм² , а деталей з міді з коваровими, сталевими або зі сплаву 47НД становити 2000-2500 Н/мм². Залежно від властивостей зварюваних матеріалів застосовують дво-або одностороннє холодне зварювання. Двостороннім з'єднують деталі з матеріалів приблизно однаковою пластичності , а одностороннім - різної пластичності . Причому в першому випадку (рис. 1.1) пуансони одночасно деформують фланці кришки і корпусу, і тому, щоб уникнути підрізування більш пластичного фланця кришки, верхній пуансон, що впливає на нього, повинен мати плоску широку торцеву поверхню.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.1. Одностороннє холодне зварювання корпусу ІМС. [12]

1,4 - верхній і нижній  пуансони, 2,3 - кришка і основа корпусу

 

Холодне зварювання просте, доступне і застосовується в основному для герметизації металоскляних корпусів транзисторів і діодів середньої та великої потужності , а також корпусів ІМС з металів , що володіють високою теплопровідністю.

Специфічною умовою отримання якісного герметичного з'єднання є висока пластичність матеріалу, принаймні однієї з деталей, що з'єднуються. Зазвичай балон виконують з міді M1 , а ніжку - з ковара , що забезпечує гарне узгодження ТКЛР зі скляними ізоляторами коварових виводів. Оскільки холодне зварювання пов'язане зі значною деформацією ( відносна деформація до 80%) , товщина з'єднуваних деталей повинна бути не менше 0,3 мм , а на ніжці повинна виконуватися захисна канавка , що розвантажує крихкі скляні ізолятори . Коварову ніжку роблять досить товстою ( 1 мм), щоб забезпечити необхідну міцність і герметичність скляних ізоляторів .

Важливою умовою отримання  якісного шва є чистота і відсутність оксидів на з'єднуваних поверхнях. Доцільно мідний балон попередньо нікелювати . У процесі здавлювання крихка нікелева плівка руйнується , оголюючи чисту поверхню міді .

Процес може бути виконаний , наприклад , на напівавтоматі І020.0007 / Т. Напівавтомат дозволяє здійснювати холодне зварювання корпусів діаметром до 20 мм в контрольованому середовищі . Зварювання проводиться рухомим верхнім і нерухомим нижнім пуансонами . Зусилля для зварювання (до 1000 кГ ) створюється гідравлічним циліндром з максимальним робочим тиском 50 ат . Завантаження деталей в гнізда 12-позиційної каруселі виконують вручну, вивантаження зварених виробів - автоматично. Для створення нейтрального середовища в зоні зварювання напівавтомат забезпечений герметичним ковпаком. Продуктивність напівавтомата 600 - 900 шт / ч.

 

1.2 . Електроконтактне  конденсаторне зварювання ( ЕКЗ)

 

Електроконтактне конденсаторне зварювання ( ЕКЗ) - це процес отримання нероз'ємного з'єднання нагрівом зварювальних кромок до пластичного стану і подальшим їх стисненням ( осаджуванням) . Для нагрівання зварюваних кромок через них пропускають електричний струм. При цьому кількість необхідної теплоти можна визначити за такою формулою (закон Джоуля - Ленца ) : Q = 0,24I²Кt  (де I - зварювальний струм; К - опір ділянки кола в місці контакту ; t - час дії струму). Крім зварювального струму , який зазвичай становить кілька десятків тисяч ампер, і тривалості його проходження , основним параметром електроконтактного зварювання є : зусилля стиснення електродів , яке в залежності від зварювальних матеріалів становить 1-20 кН. Монолітні електроди виготовляють з бронзи БрБ2 , БрХБ або БрНБТ , основу - комбінованих  з міді М1 , М2 або МЗ , а робочу частину із сплаву ВМ .

Найбільш поширене електроконтактне зварювання нерухомими електродами, при якому з'єднувані деталі встановлюють в спеціальне гніздо нижнього електрода , а верхній електрод при опусканні центрує їх і стискає з питомим тиском 50-100 Н/мм². При роликовому електроконтактному зварюванні з'єднувані деталі переміщаються між двома роликами, що обертаються.

Електроконтактним зварюванням найчастіше герметизують корпуси н/п приладів і мікросхем круглої і прямокутної форми зі штирьовими виводами.

ЕКЗ допускає з'єднання тонкостінних (0,15 мм) балона і ніжки , одержуваних штампуванням. У круглому металоскляному корпусі міцність і герметичність виводів збільшені за рахунок заповнення склом порожнистої тонкостінної коварової ніжки. Глибоко розташований зварний шов виключає можливість випліскування металу всередину корпусу. Матеріал ніжки - ковар, балона - ковар , нікель , сталь 10 ( із захисним покриттям).

Напівавтоматична установка  конденсаторного зварювання УКС-4100 дозволяє здійснювати герметизацію круглих корпусів в захисній атмосфері гелію (витрата 10 л / хв). Завантаження деталей виконують вручну , інші операції - автоматично. Діапазон зусилля стиснення електродів 50-350 кГ . Продуктивність установки 500 шт / ч.

Методом конденсаторного  зварювання герметизують також металоскляні  корпуси квадратної і прямокутної форми.

 

1.3 Аргонно-дугове зварювання

 

При аргонно - дуговому зварювані, яке є одним з видів електродугового, аргон, що обтікає електрод і зону з'єднання , оберігає розплавлений метал від дії кисню та азоту повітря . Неплавлячийся вольфрамовий електрод служить для збудження і підтримання горіння дуги. При герметизації цим способом    ( рис.1.2 ) кромки кришки і основи корпусу мікросхеми під дією теплоти електричної дуги оплавляються з утворенням зварювальної ванни. Охолоджуючись , метал в місці зварювання кристалізуєтся , і утворюється зварювальний шов. Основна перевага аргонно - дугового зварювання - можливість місцевого ( локального ) нагріву деталей, а недолік - підвищені вимоги до точності їх суміщення і виготовлення оснащення. Аргонно-дуговим зварюванням герметизують металоскляні корпуси зі штирьовими виводами, коли периметр з'єднання більше 50 мкм , а сумарна товщина фланців 0,2-0,6 мм.

Мікроплазмове зварювання є різновидом аргонно - дугового.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.2. Взаємне розташування електрода і корпусу ІМС при

аргонно-дуговому зварюванні [8]:

1-електрод, 2-сопло, 3,5-тепловідводи  кришки і основи,4 - корпус мікросхеми, 6-плита

 

1.4 Термокомпресійне зварювання

 

Внутрішній монтаж ІС включає  в себе операції по установці , закріпленню  ІС в корпусі і виконанню внутрішніх електричних з'єднань. Внутрішні з'єднання контактних майданчиків здійснюються з виводами навісних елементів (у гібридних ІС ) і з тонкими перехідними виводами , що йдуть до зовнішніх виводів , які виходять з корпусу

Для внутрішніх з'єднань характерно приблизно сторазове співвідношення товщин  металевих тіл,що з’єднуються: дротики діаметром 50 мкм і плівки товщиною 0,5 мкм. Контактний майданчик розташований на ізоляційній або напівпровідниковій підкладці. Площа контактного майданчика складає долі мм. Для виконання таких з'єднань найбільш поширене термокомпресійне зварювання ( Рис.1.3 ) .

 

Рис.1.3.Схема термокомпресії з підігрівом [5]:

1 - робочий інструмент, 2 - підігрівач робочого інструменту,