Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
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 сваркусварку 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 твердостьэто основные качества оксидной пленки, обеспечивающие герметичное соединение. Так как у большинства металлов толщина покрытия оксидными пленками не превосходит 107 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 2Нсуммарная толщина свариваемых деталей; tтолщина 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 МБмедь МБ, медь МБмедь М1, медь МБ—сталь 10, сплав Н29К18 (ковар) медь МБ, ковармедь М1.
Критические давления, необходимые для пластической деформации и холодной сварки, например для сочетания медьмедь, 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:
1балон; 2соединительные проводники; 3кристалл; 4контактные площадки; 5припой; 6колпачёк ножки; 7стекло; 8выводы; 9спай выводов со стеклом; 10соединение электроконтактной сваркой баллона и ножки; 11металлизационный слой (шина)
Рис. 6. Схема соединения (сборки) кристалла с шариковыми выводами и подложки пайкой:
1
кристалл;
2контактная
площадка; 3стекло;
4шарик
медный; 5медная
подушка; 6припой
(высокотемпературный);
7припой
(низкотемпературный);
8вывод
из сплава AgPb;
9подложка.
Рис. 7. Схема соединения (сборки) кристалла с балочными выводами и подложки пайкой:
1золотой балочный вывод; 2силицид пластины; 3кристалл; 4нитрид кремния; 5платина; 6титан; 7подложка; 8золотая 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 участках В, 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 2 лента 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 ванне 16 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:
1несущий слой; 2трансферный слой; 3адгезивный слой; 4антиадгезивная бумага
Р
ис.
10. Схема автоматизированной
сборки ИС на
ленте:
1лента-носитель; 2 выводы (после травления); 3 перфорация для перемещения ленты; 4стеклянная лента-припой; 5полость корпуса ИС; 6кристалл с готовыми структурами; 7 корпус; 8крышка; 9нагревательный инструмент