Технологічні особливості паяння та зварювання у виробництві інтегральних мікросхем

При лазерному зварюванні найбільш важким технологічним завданням з відпрацювання режиму є усунення виплесків металу. Виплеск виникає в результаті імпульсного витіснення рідкого металу надлишковим тиском пари, що утворюється.

Вітчизняна промисловість випускає установки К-3М і « Квант- 3 » , призначені для зварювання лазерним променем.

 

1.10. Типи установок для мікрозварювання

 

Існує 2 типи установок мікрозварювання: установка для зварювання кулькою  і установка для зварювання клином. Існують також універсальні установки, які дозволяють зварювати як кулькою  так і клином (рис. 1.8). В установках для зварювання кулькою дротик направляється в область зварювання вертикально через зварювальний інструмент. Кулька формується на кінці дротика на виході з інструменту в результаті плавлення кінця дротика. Кулька оплавляється за допомогою спеціальної технології електричного розряду EFO.  В установках для зварювання клином, дротик направляється в область зварювання під деяким кутом(рис. 1.9). У даному виді мікрозварювання використовується енергія ультразвукових коливань і сила притискання дротика до поверхні.

 

Рис.1.8. Мікрозварочна установка НВ16  [7]

 

 

Рис. 1.9. Види зварювання: а) кулькою, б) клином [7]

 

 

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

 

У даному виді зварювання застосовується золотий дріт, а в якості інструменту - капіляр. З'єднання утворюється в результаті нагрівання, компресії і впливу ультразвукової енергії на з'єднувані деталі . Для формування кульки на кінці дроту використовується метод електричного розряду. Типові параметри термозвукового зварювання [ 1 ] :

• нагрів робочої області - від 100 до 150 ° С;

• зусилля притиску - 20-200 г;

• ультразвукові коливання - 60 кГц з потужністю 1-2 Вт ;

• час зварювання - 20-200 мс.

Недоліки та проблемні  місця даної технології:

У результаті випробувань  мікромодуля харчування мала місце періодична відмова виробу, причиною якої був відрив вивода мікросхеми від контактного майданчика (КМ ) плати (паста 1140 на основі срібла ) внаслідок неякісного зварного з'єднання (рис. 1.10 ) .

 

Рис. 1.10. Одна з відмов при випробуваннях на ШСВ, викликана відривом виводу мікросхеми від КМ плати [6]

 

Причиною неякісного з'єднання  є один з найбільш важливих недоліків технології термозвукового мікрозварювання методом «кулька - клин » , викликаний тим , що в процесі другого з'єднання ( перемичка - КМ плати) «бере участь » менше половини площі торця зварювального інструменту.

Рішення проблеми: заходах щодо усунення даного дефекту одним з пунктів було запропоновано розробити та впровадити удосконалену технологію розварювання методом «кулька - клин - кулька ». Додатково запропоновано:

1 ) Збільшити кут внутрішнього  діаметра інструмента ( з 90 ° на 120 °) (рис. 1.11) , що дає наступні позитивні моменти:

- Зменшення ймовірності  передавлення дроту;

- Більший відбиток зварювання (збільшується в 1,5 рази) .

Рис. 1.11. Зміна кута внутрішнього діаметра зварювального інструменту з 90° на 120 °[6]

 

2) Змінити конструкцію  установки мікрозварювання, шляхом  введення підігріву інструменту.  Це дозволить знизити температуру  підігріву столика при зварюванні  і зменшити окислення срібла [Ag ₂ + 2O ₂ → (↑ Т ° С) → 2AgO ₂].

Відмінною особливістю методу «кулька-клин-кулька» є «зміцнення» 2-го з'єднання (перемичка - КМ плати) «кулькою», що дає збільшення міцності з'єднання (рис. 1. 12).

Рис. 1.12. а) Зварне з'єднання, виконане методом «кулька-клин-кулька»;

б) збільшене зображення 2-го з'єднання [6]

 

Технологічний процес складається  з наступних операцій:

Підготовча -  включення установки - перевірка параметрів (при необхідності) - заправка золотого дроту (при необхідності) - створення пробних перемичок -  контроль на зварюваність - створення перемичок - контроль (візуальний).

Необхідними технічними вимогами для забезпечення якісного мікрозварювання є вимоги до умов і термінів зберігання плат між операціями (табл. 1).

 

Таблиця 1. Умови та термін зберігання плат між операціями [6]

 

Найменування операції	Приєднання виводів компонентів і перемичок до КП плат
Час міжопераційного зберігання	10 діб
Умови міжопераційного зберігання	Інертне середовище: • Температура - 20-24 ° С; • Аргон (Р = 1 МПа).
Допустимість і способи обробки після закінчення терміну зберігання	Провести перевірку приварюваності золотих провідників до КП плати

 

Контроль на зварюваність (ОСТ 11 073.013-83 , метод 109-4 ) [3]:

При оптимізації процедури  зварювання одним з досліджуваних  параметрів є міцність дроту на відрив , яка вимірюється в ході проведення випробувань натягом (прикладення еталонного зусилля в грамах шляхом натягу дроту за допомогою гачка до його розриву або відриву ) .

При тестуванні дротяних з'єднань методом натягу міцність на відрив залежить від натяжного механізму, точки прикріплення гачка, різниці горизонтальних рівнів зварювальних деталей і кута натягу. Для отримання абсолютних значень межі міцності на розрив методика чи засіб тестування повинні бути нормовані. Коли проводяться випробування, важливо визначити місце обриву зварювання: був це відрив дроту в місці зварювання  чи його розрив ( рис. 1. 13 ) .

Рис. 1.13. Можливі місця відриву або розриву дроту [6]

 

При виборі способу створення  та відпрацювання режимів зварювання звичайно домагаються такого положення , при якому руйнування з'єднання  відбувається в точках B або D.

Якщо відрив відбувається в точках A , C , E , то необхідно перевірити параметри зварювання, металізацію, налаштування обладнання , конструкцію зварювального інструменту або випробувального пристосування.

Зазвичай при випробуванні зварювання на відрив зусилля вимірюється  в грамах. Виміряне значення не завжди є реальною межею міцності . Для того щоб обчислити реальне розривне зусилля , розраховані певні коефіцієнти , на які множать виміряне значення зусилля.

Значення даних коефіцієнтів і їх залежність від кута натягу наведені в таблиці 2 [ 1 ] .

 

Таблиця 2. Коефіцієнти для обчислення реального розривного зусилля [6]

Кут натягу дроту в точках зварювання	Коефіцієнт
10	2,88
20	1,46
30	1,00
40	0,79
50	0,65
60	0,58
70	0,53

 

Візуальний контроль (ОСТ 11 073.013-83, метод 405-1.1) [4]:

Критерій відбракування  мікрозварних з'єднань наведено в таблиці 3 [2].

Таблиця 3. Критерій відбракування мікрозварних з’єднань [6]

 

Види дефектів	Критерій відбракування
1. Дефекти зварного  з'єднання встик (кулькою)	а) Діаметр зварного з'єднання на кристалі менше 2 діаметрів або в 4 рази більше діаметра дротяного виведення. б) Сліди попереднього зварювання на одній і тій же КП (якщо не дозволяє площа КП).
2. Діаметри зварних  з'єднань внахлист (клином)	а) Мінімальний лінійний розмір зварного з'єднання менше 1/2 або більше 3 діаметрів дроту. б) Сліди попереднього зварювання на одній і тієї ж КП (якщо не дозволяє площа КП підкладки).
3. Дефекти зовнішнього  вигляду зварювання	Ознаки перегріву в  місці зварювання –зварювання пористе,тьмяного кольору.
4. Дефекти дротяних  виводів	а) Стріла прогину дроту, яка припускає можливість торкання з елементами конструкції (конкретна стріла прогину вказується в КД). б) Нерівність дроту типу згину, борозенок, що зменшують  діаметр дроту більш ніж на 1/4. в) Перетин дротяних виводів. г) Відстань між дротяними виводами менше 50 мкм. д) Обрив дротяного виводу. е) Розводка дротяних виводів не відповідає КД.

 

 

Зварне з'єднання перевірено на міцність по ОСТ 11 073.013-83 (метод 109-4-перевірка  на зварюваність) [3] за допомогою грамометра. Міцність зварного з'єднання на відрив склала:

•  ~ 6 г (3 г по ОСТ 11 073.013-83) - для дроту товщиною 30 мкм;

• > 30 г (5 г по ОСТ 11 073.013-83) - для дроту товщиною 50 мкм, що відповідає вище вказаному стандарту.

В обох випадках відбувався обрив дроту в точці B (відповідно до рис. 1.13), при цьому спостерігалася відсутність всякого роду тріщин і відслонень зварних з'єднань (рис. 1.14).

Рис.1.14. Результати контролю на зварюваність [6]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 2

ТЕХНОЛОГІЧНІ  ОСОБЛИВОСТІ ПАЯННЯ

 

2.1 . Приєднання  виводів паянням

 

З'єднання паянням передбачає участь третього металу в рідкому стані , який змочує метали, що сполучаються і при затвердінні утворює металевий зв'язок. Пайка може бути гаряча ( розплавленими припоями ) і холодна (за допомогою амальгами або галію ) .

Основною умовою створення  паяного з'єднання є взаємодія  рідкого припою з поверхнею чистих металів, що сполучаються . Змочування є неодмінною умовою утворення паяного з'єднання. Ступінь змочування і розтікання залежить від виду контактуючих металів , стану поверхні (наявність оксидів , шорсткість), а також умов паяння ( температура , газове середовище, тривалість паяння ). Флюси, що застосовуються при пайці, не тільки розчиняють оксиди на поверхні твердого металу. Будучи поверхнево-активними речовинами , вони зменшують поверхневий натяг припоїв, сприяють поліпшенню змочування і розтікання , передачі тепла на всю зону пайки [8].

При змочуванні припоєм виникає  взаємодія , що приводить при затвердінні до утворення зв'язку між кристалітами . Можуть спостерігатися три види цього зв'язку : розчиненням , хімічною взаємодією , утворенням металевих зв'язків. Взаємодії розчиненням слід уникати при пайці до тонких плівок , це може викликати розчинення всієї плівки в припої. З цієї точки зору для паяння переважні не золоті контактні майданчики, як у випадку термокомпресійних з'єднань, а мідні. Золота плівка завтовшки до 50 нм повністю розчиняється у припої ПСК. Зменшення небезпеки розчинення досягається попереднім введенням в припій присадки ( 2 - 3 %) того металу , з якого складається плівка.

Хімічний зв'язок виникає з утворенням перехідного шару у вигляді хімічної сполуки припою з металом. Це спостерігається при пайці міді оловом , коли утворюються міцні інтерметалічні з'єднання Cu₆Sn₅ і Cu₃Sn. Утворення хімічного зв'язку вимагає присутності в припої легуючих домішок, що сприяють утворенню дуже тонкого перехідного шару твердого розчину з металом.

Взаємодія через металеві зв'язки спостерігається при хорошому змочуванні . При пайці ІС цей механізм найбільш щадний по відношенню до плівки і тому йому віддають перевагу. Для розвитку саме цього механізму взаємодії необхідна короткочасність паяння і вузький інтервал температури.

Сплави, в яких відбувається одночасна за всім обсягом кристалізація компонентів при найнижчій для даної системи температурі, називають евтектичними (рис. 2.1).

Рис.2.1. Діаграма стану свинець  – олово [5]:

α-кристали твердого розчину Sn в Pb, β-кристали твердого

розчину Pb в Sn, ж - рідка фаза

 

Евтектична точка на фазовій  діаграмі станів характерна стрибкоподібним  і повним переходом з рідкої в  тверду фазу при охолодженні суміші. Відхилення від цього складу призводять до того , що ще до затвердіння припою відбувається спонтанна кристалізація  одного з компонентів. Зовні це проявляється в повільному затвердінні сплаву, що загусає. Якщо в цей момент паяний шов потривожити незначним механічним впливом, то миттєво настає загальна кристалізація припою з виділенням великих кристалів, погано пов'язаних між собою. Такий паяний шов не можна вважати надійним.

У разі евтектичного сплаву затвердіння відбувається без спонтанної кристалізації. Евтектичний сплав  ПОС - 61 має найменшу температуру  плавлення, найменшу пористість, якнайкращі капілярні властивості з припоїв ПОС.

Припій для паяння ІС повинен  володіти нижчою температурою плавлення, ніж припій ПОС - 61. Таким є , наприклад , потрійний олов'яно- свинцево- індієвий припій ( 37,5 % Sn , 37,5 Pb , 25 % In ) з t_пл = 135 ° C.

 

2.1.1 Холодна пайка

 

 

 Холодна пайка здійснюється за допомогою  сплавів з ртуттю ( амальгами ) або  з галієм . Обидва види сплавів тверднуть  при кімнатній температурі. На контактний вузол наносять сплав , який при витримці в притиснутому стані твердне. При холодній пайці вимагається збільшена площа контактних поверхонь обох тіл, що сполучаються . Метод холодної пайки застосовний тільки для кулькових виводів , які дозволяють забезпечити необхідне зусилля притиснення .

Сплави готують розчиненням  металевого порошку в ртуті або  в галії . З плином часу (кілька годин) відбувається розчинення металу-порошку і приповерхневого шару тіл, що сполучаються в рідкому металі. Це призводить до підвищення температури плавлення виникаючого сплаву відповідно до діаграми стану системи . Чим вище дисперсність порошку, тим процес протікає швидше.

Термостійкість з'єднання виходить високою, більше 500°С. Слід відзначити, що при затвердінні сплави з галієм збільшуються в об'ємі приблизно на 10 %, що сприяє заповненню зазору між поверхнями, що сполучаються, якщо прикладено зовнішній тиск .