Технологічні особливості паяння та зварювання у виробництві інтегральних мікросхем

3 - приєднувальний провідник, 4 - підкладка,

5-підігрівач підкладки,  встановлений на робочому столику

 

Воно припускає протікання деформації в зоні з'єднання , що витісняє адсорбовані гази і дуже тонкі жирові і окисні плівки , в результаті чого відбувається «схоплювання » стислих поверхонь . Області схоплювання виникають на ділянках , де можлива взаємодія між вільними електронами атомів тіл, що сполучаються та утворення міжатомного зв'язку . Для цього необхідно подолання енергетичного бар'єру підвищенням енергії атомів. Підвищення енергії виробляють нагріванням і пластичної деформацією . Чим вище температура , тим при менших тисках починається зчеплення , так як полегшується руйнування окисних плівок . Твердість ковкого металу дротика істотно зменшується , а твердість окисних плівок із зростанням температури міняється мало. При нагріванні в результаті збільшення пластичності металу легше утворюються великі поверхні зіткнення і знімаються руйнівні для шва внутрішні механічні напруги.

При термокомпресії з'єднанні метали нагріті до температури початку рекристалізації ( відпалу ) t_p ( ≈ 400 ° C ) або трохи вище , але на 20 ° С нижче найнижчої температури евтектики системи. При цій температурі зчеплення виникає при мінімальному навантаженні здавлювання, якщо товщина окисної плівки нікчемно мала. У міру потовщення окисної плівки навантаження здавлення повинно зростати для руйнування і витискування осколків окисної плівки із зони контактування [9].

Термокомпресійно зварювані матеріали класифікують на три групи:

а) метали з хорошою взаємної дифузією в твердому стані, що утворюють тверді розчини Au- Cu ( мають найкращу зварюваність) ;

б) матеріали , що утворюють між собою низькотемпературні евтектики А1 - Si , Au - Si ( володіють задовільною зварюваністю ) ;

в) метали, взаємна дифузія  яких приводить до утворення інтерметалічних  сполук і евтектики Au- Al , Al- Sn ( володіють  задовільною зварюваністю лише при  виконанні певних умов ) .

При температурах вище t_p спостерігаються процеси , що залежать від часу: повзучість , рекристалізація , дифузія . Ці три процеси грають велику роль в утворенні термокомпресійного з'єднання, тому тривалість зварювання впливає на міцність з'єднання.

Металографічний аналіз зони доброякісного термокомпресійного з'єднання показує , що кордон між зварюваними металами досить чіткий , без помітної дифузії одного металу в інший. Дифузійний процес має місце в дуже обмеженій області, оскільки невисока температура місця зварювання і короткочасність недостатні для протікання глибокої дифузії. Основну роль у зміцненні з'єднання грають процеси повзучості і рекристалізації .

Інструмент , яким здійснюють термокомпресійне з'єднання , являє собою долотоподібну голку , за допомогою якої притискають дротик вивода до контактного майданчику на підкладці. Інструмент закріплений на важелі, рух якого від руки оператора регулюється пружиною. Жало інструменту має на кінці виступ, завдяки чому матеріал дротика відтісняється при тиску по обидві сторони виступу. Найбільш важким при виконанні зварювання є забезпечення точності установки жала. Тиск при термокомпресії становить близько 100 г при діаметрі контактного дротика до 50 мкм , тривалість 1,5 сек. Площа, яку займає контактна зона, дуже мала. Наприклад , при дротику 25 мкм площа становить 150x30 мкм.

Жало має бути виконане з матеріалів , з якими не відбувається схоплювання при зварюванні: з твердого сплаву ВК- 15, кераміки окису берилію, молібдену. Метод термокомпресії вимагає ретельного контролю основних параметрів процесу : тиску , температури і часу зварювання .

Міцність зварювання оцінюється значеннями контрольного зусилля від 0,3 до 2,5 г , прикладеного вздовж осі  дротика і ще не викликаючого відрив. Наприклад, для дротика діаметром 25 мкм при з'єднанні з товстим зовнішнім виводом типова величина контрольного зусилля складає 0,5 г [10].

 

1.5 . Контактне зварювання розщепленим електродом

 

Контактне зварювання розщепленим електродом нагадує термокомпресійне зварювання. Відмінність полягає в тому, що нагрів проводиться пропусканням електричного струму через зону зварювання між ізольованими один від одного половинами електроду ( рис.1.4 ) . Якість з'єднання залежить від початкового контактного електроопору та опору зварювальних деталей. Контактний опір залежить від площі контакту і питомого опору поверхні розділу. У свою чергу , ці останні чинники залежать від тиску, шорсткості, оксидів і чистоти поверхні. У зв'язку з цим режим повинен кожен раз ретельно підбиратися для конкретних умов.

 

 

Рис.1.4. Контактне зварювання методом розщепленої голки [5]:

1 - обидві половини розщепленого  електрода, 2 - ізоляція або повітряний

зазор, 3 - дротик, 4 - плівка, 5 - підкладка, 6 - лінії струму

 

Енергія для нагріву подається  у вигляді імпульсів тривалістю 0,01 сек від конденсатора через  імпульсний трансформатор. Тривалість імпульсу визначає попереднє прогрівання  місця зварювання, тривалість самої  зварки і післязварювальний цикл нагріву для відпалу.

 

1.6. Зварювання тиском з непрямим імпульсним нагрівом ( ЗНІН )

 

Зварювання тиском з непрямим імпульсним нагрівом ( ЗНІН ) ( рис.1.5) відрізняється від компресійного зварювання тим , що розігрів робочої зони здійснюється тільки в момент зварювання імпульсом струму, що проходить безпосередньо через інструмент. Завдяки цьому є можливість отримати вищий локальний нагрів провідника і, отже, зварювати малопластичні матеріали. ЗНІН має більш широкі технологічні можливості і дозволяє отримувати якісні сполуки золотих , алюмінієвих і мідних провідників            ( діаметром до 100 мкм) з плівками багатьох матеріалів .

Для виконання ЗНІН інструмент повинен мати V- подібну форму, причому максимальна температура має бути на робочому торці. Для нагрівання інструменту може бути використаний імпульс постійного або змінного струму. Для пом'якшення термоудару на плівковий контактний майданчик, доцільний супутній підігрів виробу (тобто робочого столу) .

На відміну від термокомпресії, процес взаємної дифузії при ЗНІН відіграє більш суттєву роль в утворенні з'єднання. При виконанні ЗНІН на початку прикладається тиск. Потім через інструмент подається імпульс струму тривалістю від 0,01 до декількох секунд. Під дією температури торця інструменту відбувається локальний розігрів дроту, зменшення межі пластичності, осад дроту і з'єднання. При з'єднанні, наприклад, алюмінієвого дроту з алюмінієвою, золотою і мідною плівкою температура в зоні зварювання повинна становити відповідно 400 , 490 і 560 ° С.

Рис. 1.5. Схема зварювання тиском з непрямим імпульсним нагрівом [6] :

1 - робочий столик; 2 - підкладка  або напівпровідниковий кристал; 3 - провідник; 4 - V-подібний інструмент (пуансон); 5 - зварювальна голівка для створення тиску; 6 - джерело живлення; 7 - реле часу

 

1.7. Зварювання здвоєним (розщепленим) електродом

 

Зварювання здвоєним (розщепленим) електродом є різновидом контактного  точкового електрозварювання, пристосованого до особливостей сполук у мікросхемах. Малі площі з'єднань і мала товщина плівок вимагають локалізації нагрівання при односторонньому розташуванні електродів. Інструмент (рис.1.6) являє собою два електроди з шириною робочої частини (торця) кожного електрода 0,1 мм, розділених ізолюючим прошарком товщиною порядку 0,05 мм.

 

Рис. 1.6. Схема зварювання здвоєним електродом [9]

 

У процесі зварювання дротовий провідник на ділянці під інструментом є  складовою частиною електричного кола. Розігрів провідника здійснюється за рахунок виділення тепла в місці контактів дріт - електроди . Залежно від умов зварювання (тривалості , потужності, шпаруватості імпульсів і часу витримки під струмом) можуть мати місце такі механізми з'єднання:

1. з'єднання у твердій фазі в результаті рекристалізації з'єднуваних матеріалів і проростання зерен через поверхню розділу;

2. з'єднання нижче температури рекристалізації за рахунок електронної взаємодії та атомного зчеплення;

3. з'єднання в рідкій  фазі в результаті розплавлення .

Відтворюваність якості з'єднання  істотно залежить від повторюваності величини електричного опору в місці  контакту . Тому зварювальні установки  передбачають автоматичне регулювання зусилля тиску ( 0,3 -1 кГ ) інструмента по заданому контактному опору . Умовою отримання якісного з'єднання є також деформація провідника не менше 40 %.

 

 

 

 

1.8. Ультразвукове зварювання

 

Ультразвукове зварювання є  різновидом зварювання тиском (холодного або з непрямим нагрівом).

Ультразвукове зварювання здійснюється при підведенні до зварюваних деталей  енергії механічних коливань ультразвукової частоти з одночасним додатком навантаження (рис. 1.7).

Рис.1.7.Схема пристрою для ультразвукового зварювання [5]:

1 - дротик виводу, 2 - підкладка, 3 - контактний майданчик,

4 - голка, 5 - напрям вібрацій, 6 - підшипник ковзання,

7 – магнітостріктор

Суть методу ультразвукового  зварювання полягає у виникненні тертя на поверхні розділу між тілами, що сполучаються. Передача енергії від магнітострикційного перетворювача здійснюється за допомогою зварювальної голки , яка притискає провідник до контактного майданчика .

Ультразвукове зварювання можна порівняти з явищем захоплення і заїдання між двома притиснутими одна до одної незмазаними поверхнями. Магнітострикційний перетворювач передає вібрацію на голку так , щоб вона вібрувала паралельно поверхні.

Ультразвукове зварювання застосовується в тих випадках , коли небажано плавлення з'єднуваних частин , а також при зварюванні металів , що істотно відрізняються електро- і теплопровідністю, при зварюванні металів з керамікою і склом [10] .

Для виконання монтажних  з'єднань в мікросхемах застосовують ультразвукові генератори потужністю близько 100 вт на частоту ≈ 20 кгц з амплітудою коливання інструменту ≈ 10 мкм. Амплітуда коливань повинна бути спрямована уздовж осі зварюваного дроту для зниження ефекту прослизання. УЗ зварка застосовна і для виконання з'єднань зі склометалічними емалевими плівками.

Результатом впливу ультразвукових коливань є три процеси : зростання площі контакту, руйнування окисних плівок і нагрівання металу в зоні зварювання. Вони сприяють зварюванню .

Ультразвукове зварювання придатне для м'яких і пластичних металів : золота, алюмінію і мідно- марганцевого сплаву , але не для ніхрому і танталу.

Основні труднощі ультразвукового зварювання полягають в регулюванні тиску, що притискає голку до контактного майданчика . Надмірний тиск розчавлює дротик виводу або викликає стирання плівки. Малий тиск не призводить до зварювання. Тому для точного регулювання тиску зручно використовувати пневматичну систему.

До переваг ультразвукового  зварювання можна віднести: невисоку температуру в зоні контакту , можливість з'єднання важкозварювальних різнорідних матеріалів ( і навіть діелектриків ) і невисокі вимоги до стану поверхні.

Обмеженням методу є вимога високої пластичності матеріалу  провідника , так як деформація повинна досягати 50 - 60 %. Питомі тиски повинні становити кілька кілограмів на 1 мм².

Основними параметрами процесу  є амплітуда коливань (порядку 5 -10 мкм при частоті 40 - 60 кГц ) і питомий  тиск . Час зварювання має бути оптимальним : при малому часі фізичний контакт поверхонь, що з'єднуються може виявитися малим, при великому часі спостерігається руйнування вузлів схоплювання.

 

 

 

 

1.9. Лазерне зварювання

 

При лазерному зварюванні  метали, що з'єднуються плавляться в точці зварювання, утворюючи загальну ванночку рідкого металу; з'єднання утворюється в результаті спільної кристалізації при затвердінні .

Такий процес небезпечний для плівкового контактного майданчика: при розплавленні металу порушується суцільний шар плівки через стягування металу плівки в краплі.

Лазерне зварювання забезпечує хорошу керованість променем по дозуванні  енергії та з переміщення . Завдяки  високій концентрації енергії зменшується  до мінімуму час теплового впливу на контактний вузол.

При лазерному зварюванні енергія променя проникає в товщу металу за рахунок теплопровідності , що передає енергію від поверхні в глиб тіла .

Особливості технології лазерного  зварювання випливають зі світлової природи лазерного променя. Мають значення такі фактори, як колір контактної зони , на яку спрямований промінь, відбивна здатність поверхні. Промінь повинен бути спрямований не на плівку, а точно на дротик в тому місці , де він щільно прилягає до контактного майданчику .

Зварювання за допомогою  лазера проводиться при щільності  енергії в промені 1 мВт/см². Локалізація зони нагріву і короткочасність впливу випромінювання не дозволяють розвиватися паразитним окислювальним процесам. Збільшення тривалості імпульсу випромінювання ( більш 10 мксек) сприяє підвищенню стабільності процесу зварювання з двох причин : рівень випромінюваної потужності лазера стає більш стійким , сам процес зварювання , в якому фізико-хімічні явища мають деяку тривалість , стає менш критичним до коливань рівня потужності.

При аналізі процесу лазерного  зварювання треба брати до уваги  явища в зоні дії променя , тобто  в зоні контактного майданчика. Тут, як і при пайці, особливе значення має змочування поверхні твердого металу рідким. Таке змочування можливо в тому випадку, якщо у твердого тіла поверхневий натяг більше, ніж у рідини. У реальних умовах виробництва, поверхня твердого тіла завжди покрита шаром оксиду з меншим поверхневим натягом, ніж у чистого металу , що виключає змочування . Для здійснення змочування необхідно оплавити або розчинити шар оксиду.