СБОРКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Особенности процесса сборки

Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является наиболее трудоемким и ответственным технологическим этапом в общем цикле их изготовления. От качества сборочных операций в сильной степени зависят стабильность электрических параметров и надежность готовых изделий.

Этап сборки начинается после завершения групповой обработки полупроводниковых пластин по планарной технологии и разделе­ния их на отдельные элементы (кристаллы). Эти кристаллы, могут иметь простейшую (диодную или транзисторную) структуру или включать в себя сложную интегральную микросхему (с большим количеством активных и пассивных элементов) и поступать на сборку дискретных, гибридных или монолитных композиций.

Трудность процесса сборки заключается в том, что каждый класс дискретных приборов и ИМС имеет свои конструктивные особенности, которые требуют вполне определенных сборочных операций и режимов их проведения.

Процесс сборки включает в себя три основные технологические операции: присоединение кристалла к основанию корпуса; присоединение токоведущих выводов к активным и пассивным элементам полупроводникового кристалла к внутренним элементам корпуса; герметизация кристалла от внешней среды.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Присоединение кристалла полупроводникового прибора или ИМС к основанию корпуса проводят с помощью процессов пайки, приплавления с использованием эвтектических сплавов и приклеи­вания.

Основным требованием к операции присоединения кристалла является создание соединения кристалл -основание корпуса, об­ладающего высокой механической прочностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Пайка - процесс соединения двух различных деталей без их расплавления с помощью третьего компонента, называемого при­поем. Особенностью процесса пайки является то, что припой при образовании паяного соединения находится в жидком состоянии, а соединяемые детали - в твердом.

На рис. 1, а показан вариант присоединения кристалла ИМС, имеющего медные облуженные кон­тактные выступы, к подложке. Та­кая конструкция выводов не боится растекания припоя по подложке. Наличие высокого грибообразного выступа обеспечивает необходимый зазор между полупроводниковым кристаллом и подложкой при расплавлении припоя. Это позволяет проводить присоединение кристалла к подложке с высокой степенью точ­ности.

На рис. 1, в показан вариант сборки кристаллов, имеющих мяг­кие столбиковые выводы из припоя на основе олово-свинец.

П
рисоединение такого кристалла к основанию корпуса проводят обычным нагревом без дополнитель­ного давления на кристалл. Припой контактных выступов при нагрева­нии и расплавлении не растекается по поверхности облуженных участ­ков основания корпуса за счет сил поверхностного натяжения. Это, кроме того, обеспечивает определен­ный зазор между кристаллом и под­ложкой.

Рассмотренный метод присоединения кристаллов ИМС к осно­ванию корпуса или к какой-либо плате позволяет в значительной степени механизировать и автоматизировать технологический про­цесс сборки.

Приплавление с использованием эвтектических сплавов. Этот способ присоединения полупроводниковых кристаллов к основанию корпуса основан на образовании расплавленной зоны, в которой происходит растворение поверхностного слоя полупроводникового материала и слоя металла основания корпуса.

В промышленности широкое применение получили два эвтекти­ческих сплава: золото-кремний (температура плавления 370°С) я золото-германий (температура плавления 356°С). Процесс эвтектического присоединения кристалла к основанию корпуса имеет две разновидности. Первый вид основан на использовании прокладки из эвтектического сплава, которая располагается между соединяемыми элементами: кристаллом и корпусом. В этом виде соединения поверхность основания корпуса должна иметь зо­лотое покрытие в виде тонкой пленки, а поверхность полупроводни­кового кристалла может не иметь золотого покрытия (для кремния и германия) или быть покрытой тонким слоем золота (в случае присоединения других полупроводниковых материалов). При на­греве такой композиции до температуры плавления эвтектического сплава между соединяемыми элементами (кристалл-основание корпуса) образуется жидкая зона. В этой жидкой зоне происходит с одной стороны растворение слоя полупроводникового материала кристалла (или слоя золота, нанесенного на поверхность кри­сталла).

После охлаждения всей системы (основание корпуса - эвтектический расплав-полупроводниковый кристалл) происходит за­твердевание жидкой зоны эвтектического сплава, а на границе полупроводник-эвтектический сплав образуется твердый раствор. В результате этого процесса создается механически прочное соеди­нение полупроводникового материала с основанием корпуса.

Второй вид эвтектического присоединения кристалла к основа­нию корпуса обычно реализуется для кристаллов из кремния или германия. В отличие от первого вида для присоединения кристал­ла не используется прокладка из эвтектического сплава. В этом случае жидкая зона эвтектического расплава образуется в резуль­тате нагрева композиции позолоченное основание корпуса-кри­сталл кремния (или германия). Рассмотрим подробнее этот процесс. Если на поверхность основания корпуса, имеющего тонкий слой золотого покрытия, поместить кристалл кремния, не имеющий золотого покрытия, и всю систему нагреть до температуры на 40-50°С выше температуры эвтектики золото-кремний, то между соединяемыми элементами образуется жидкая фаза эвтектического состава. Так как процесс сплавления слоя золота с кремнием явля­ется неравновесным, то количество кремния и золота, растворив­шихся в жидкой зоне, будет определяться толщиной золотого по­крытия, температурой и временем проведения процесса сплавления. При достаточно больших выдержках и постоянной температуре процесс сплавления золота с кремнием приближается к равновес­ному и характеризуется постоянным объемом жидкой фазы золо­то-кремний. Наличие большого количества жидкой фазы может привести к вытеканию ее из-под кристалла кремния к его перифе­рии. При затвердевании вытекшая эвтектика приводит к образова­нию достаточно больших механических напряжений и раковин в структуре кристалла кремния, которые резко снижают прочность сплавной структуры и ухудшают ее электрофизические параметры.

При минимальных значениях времени и температуры сплавление золота с кремнием происходит не равномерно по всей площади соприкосновения кристалла с основанием корпуса, а лишь в ее от­дельных точках.

В результате этого уменьшается прочность сплавного соедине­ния, увеличиваются электрическое и тепловое сопротивления кон­такта и снижается надежность полученной арматуры.

Существенное влияние на процесс эвтектического сплавления оказывает состояние поверхностей исходных соединяемых элемен­тов. Наличие загрязнений на этих поверхностях приводит к ухуд­шению смачивания контактирующих поверхностей жидкой фазой и неравномерному растворению.

Приклеивание -это процесс соединения элементов друг с дру­гом, основанный на клеящих свойствах некоторых материалов, которые позволяют получать механически прочные соединения между полупроводниковыми кристаллами и основаниями корпусов (металлическими, стеклянными или керамическими). Прочность склеивания определяется силой сцепления между клеем и склеива­емыми поверхностями элементов.

Склеивание различных элементов интегральных схем дает воз­можность соединять самые разнообразные материалы в различных сочетаниях, упрощать конструкцию узла, уменьшать его массу, снижать расход дорогостоящих материалов, не применять припоев и эвтектических сплавов, значительно упрощать технологические процессы сборки самых сложных полупроводниковых приборов и ИМС.

В результате приклеивания можно получать арматуры и слож­ные композиции с электроизоляционными, оптическими и токопроводящими свойствами. Присоединение кристаллов к основанию корпуса с помощью процесса приклеивания незаменимо при сборке и монтаже элементов гибридных, монолитных и оптоэлектронных схем.

При приклеивании кристаллов на основания корпусов применя­ют различные типы клеев: изоляционные, токопроводящие, светопроводящие и теплопроводящие. По активности взаимодействия между клеем и склеиваемыми поверхностями различают полярные (на основе эпоксидных смол) и неполярные (на основе полиэти­лена).

Качество процесса приклеивания в значительной степени зави­сит не только от свойств клея, но и от состояния поверхностей склеиваемых элементов. Для получения прочного соединения необ­ходимо тщательно обработать и очистить склеиваемые поверхно­сти. Важную роль в процессе склеивания играет температура. Так, при склеивании элементов конструкций, которые не подвергаются в последующих технологических операциях воздействию высоких температур, можно использовать клеи холодного отверждения на эпоксидной основе. Для приклеивания кремниевых кристаллов к металлическим или керамическим основаниям корпусов обычно используют клей ВК-2, представляющий собой раствор кремний-органической смолы в органическом растворителе с мелкодиспергированным асбестом в качестве активного наполнителя или ВК-32-200, в котором в качестве наполнителя используют стекло или кварц.

Технологический процесс приклеивания полупроводниковых кристаллов проводят в специальных сборочных кассетах, обеспе­чивающих нужную ориентацию кристалла на основании корпуса и необходимое прижатие его к основанию. Собранные кассеты в зависимости от используемого клеящего материала подвергают определенной термической обработке или выдерживают при ком­натной температуре.

Особые группы составляют электропроводящие и оптические клеи, используемые для склеивания элементов и узлов гибридных и оптоэлектронных ИМС. Токопроводящие клеи представляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийорганических смол с добавлением порошков серебра или никеля. Среди них наи­более широкое распространение получили клеи АС-40В, ЭК-А, ЭК-Б, К-3, ЭВТ и КН-1, представляющие собой пастообразные жидкости с удельным электрическим сопротивлением 0,01- 0,001 Ом-см и диапазоном рабочих температур от -60 до +150°С. К оптическим клеям предъявляют дополнительные требования по значению коэффициентов преломления и светопропускания. Наи­более широкое распространение получили оптические клеи ОК.-72 Ф, ОП-429, ОП-430, ОП-ЗМ.

Основными параметрами режима термокомпрессионной сварки являются удельное давление, температура нагрева и время сварки, Удельное давление выбирают в зависимости от допустимого на­пряжения сжатия кристалла полупроводника и допустимой дефор­мации материала привариваемого вывода. Время сварки выбирают экспериментальным путем.

Относительная деформация при термокомпрессионной сварке

,

где d-диаметр проволоки, мкм; b-ширина соединения, мкм.

Давление на инструмент определяют, исходя из распределения напряжений на стадии завершения деформации:

,

г

де A-коэффициент, характеризующий изменение напряжений в процессе деформации проволоки; f-приведенный коэффициент трения, характеризующий трение между инструментом, проволо­кой и подложкой; -относительная деформация; -предел те­кучести материала проволоки при температуре деформации; d- диаметр проволоки;D-диаметр прижимного инструмента, рав­ный обычно (2ч3)d.

Рис. 2. Номограмма для выбора режимов термокомпрессионной сварки:

а- золотой проволоки с плёнкой алюминия; б- алюминиевой проволоки с плёнкой алюминия

На рис. 2 приведены номограммы режимов термокомпрес­сионной сварки золотой (а) и алюминиевой (б) проволоки с алю­миниевыми контактными площадками. Эти номограммы дают воз­можность оптимального выбора соотношения между давлением, температурой и временем.

Термокомпрессионная сварка имеет довольно много разновид­ностей, которые можно классифицировать по способу нагрева, по способу присоединения, по форме инструмента. По способу нагре­ва различают термокомпрессионную сварку с раздельным нагревом иглы, кристалла или пуансона, а также с одновременным нагре­вом двух из этих элементов. По способу присоединения термоком­прессионная сварка может быть встык и внахлест. По форме инструмента различают «птичий клюв», «клин», «капилляр» и «иглу» (рис. 14.3).

При сварке инструментом «птичий клюв» одно и то же устройство подает проволоку, присоединяет ее к контактным площадкам интегральной схемы и автоматически обрывает, не выпуская ее из «клюва». Инструмент в виде «клина» прижимает конец проволоки к подложке, при этом вдавливается не вся проволока, а только центральная ее часть. При сварке с помощью «капиллярного инст­румента» проволока проходит через него. Капиллярный наконеч­ник одновременно служит инструментом, передающим давление на проволоку. При сварке «иглой» конец проволочного вывода подво­дят в зону сварки специальным механизмом и накладывают на контактную площадку, а затем прижимают ее иглой с определенным усилием.

Р

ис. 3. Типы инструментов для проведения термокомпрессионной сварки:

а- «птичий клюв»; б- «клин»; в- «капилляр»; г- «игла»

Для осуществления процесса термокомпрессионной сварки ис­пользуются различные установки, основными узлами которых являются: рабочий столик с нагревательной колонкой или без нее, механизм создания давления на присоединяемый вывод, рабочий инструмент, механизм подачи и обрыва проволоки для выводов, механизм подачи кристаллов или деталей с присоединенным к ним кристаллом; механизм совмещения соединяемых элементов, опти­ческая система визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управления. Все перечисленные узлы могут иметь раз­личное конструктивное исполнение, однако принцип их устройства и характер выполняемой работы одинаков.

В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам кристаллов интегральных схем используются два спо­соба электроконтактной сварки: с односторонним расположением двух электродов и с односторонним расположением одного сдвоен­ного электрода. Второй способ отличается от первого тем, что ра­бочие электроды выполнены в виде двух токонесущих элементов, разделенных между собой изоляционной прокладкой. В момент прижатия такого электрода к проволочному выводу и пропускания через образовавшуюся систему электродного тока происходит вы­деление большого количества теплоты в месте контакта. Внешнее давление в сочетании с разогревом деталей до температуры плас­тичности или расплавления приводит к прочному их соединению.

Механизм подачи кристаллов включает в себя набор кассет, а ме­ханизм совмещения-систему манипуляторов, которые позволяют располагать кристалл в нужном положении. Оптическая визуаль­ная система наблюдения состоит из микроскопа или проектора. Блок питания и управления позволяет задавать рабочий режим сварки и производить его перестройку и регулировку при смене типа кристалла и материала вывода.

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.

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 2Н-суммарная толщина свариваемых деталей; t-толщина 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 МБ-медь МБ, медь МБ-медь М1, медь МБ-сталь 10, сплав Н29К18 (ковар) -медь МБ, ковар-медь М1.

Критические давления, необходимые для пластической дефор­мации и холодной сварки, например для сочетания медь-медь, 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:

1-балон; 2-соединительные проводники; 3-кристалл; 4-контактные площадки; 5-припой; 6-колпачёк ножки; 7-стекло; 8-выводы; 9-спай выводов со стеклом; 10-соединение электроконтактной сваркой баллона и ножки; 11-металлизационный слой (шина)

Рис. 6. Схема соединения (сборки) кристалла с шариковыми выводами и подложки пайкой:

1
-кристалл; 2-контактная площадка; 3-стекло; 4-шарик медный; 5-медная подушка; 6-припой (высокотемпературный); 7-припой (низкотемпературный); 8-вывод из сплава AgPb; 9-подложка.

Рис. 7. Схема соединения (сборки) кристалла с балочными выводами и подложки пайкой:

1-золотой балочный вывод; 2-силицид пластины; 3-кристалл; 4-нитрид кремния; 5-платина; 6-титан; 7-подложка; 8-золотая 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 участкахВ, 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 2лента 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 ванне16 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:

1-несущий слой; 2-трансферный слой; 3-адгезивный слой; 4-антиадгезивная бумага

Р

ис. 10. Схема автоматизированной сборки ИС на ленте:

1-лента-носитель; 2- выводы (после травления); 3- перфорация для перемещения ленты; 4-стеклянная лента-припой; 5-полость корпуса ИС; 6-кристалл с гото­выми структурами; 7 - корпус; 8-крышка; 9-нагревательный инструмент

Министерство образования Российской Федерации

Кафедра: «Электронное машиностроение».

Курсовой проект

Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

Выполнил: ст-т гр. ЭПУ - 32

Козачук Виталий Михайлович

Проверил: доцент

Шумарин Виктор Пракофьевич

Саратов 2000 г.

СБОРКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Особенности процесса сборки

Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является наиболее трудоемким и ответственным технологическим этапом в общем цикле их изготовления. От качества сборочных операций в сильной степени зависят стабильность электрических параметров и надежность готовых изделий.

Этап сборки начинается после завершения групповой обработки полупроводниковых пластин по планарной технологии и разделе­ния их на отдельные элементы (кристаллы). Эти кристаллы, могут иметь простейшую (диодную или транзисторную) структуру или включать в себя сложную интегральную микросхему (с большим количеством активных и пассивных элементов) и поступать на сборку дискретных, гибридных или монолитных композиций.

Трудность процесса сборки заключается в том, что каждый класс дискретных приборов и ИМС имеет свои конструктивные особенности, которые требуют вполне определенных сборочных операций и режимов их проведения.

Процесс сборки включает в себя три основные технологические операции: присоединение кристалла к основанию корпуса; присоединение токоведущих выводов к активным и пассивным элементам полупроводникового кристалла к внутренним элементам корпуса; герметизация кристалла от внешней среды.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Присоединение кристалла полупроводникового прибора или ИМС к основанию корпуса проводят с помощью процессов пайки, приплавления с использованием эвтектических сплавов и приклеи­вания.

Основным требованием к операции присоединения кристалла является создание соединения кристалл - основание корпуса, об­ладающего высокой механической прочностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Пайка - процесс соединения двух различных деталей без их расплавления с помощью третьего компонента, называемого при­поем. Особенностью процесса пайки является то, что припой при образовании паяного соединения находится в жидком состоянии, а соединяемые детали - в твердом.

Сущность процесса пайки состоит в следующем. Если между соединяемыми деталями поместить прокладки из припоя и всю композицию нагреть до температуры плавления припоя, то будут иметь место следующие три физических процесса. Сначала рас­плавленный припой смачивает поверхности соединяемых деталей. Далее в смоченных местах происходят процессы межатомного вза­имодействия между припоем и каждым из двух смоченных им ма­териалов. При смачивании возможны два процесса: взаимное растворение смоченного материала и припоя или их взаимная диф­фузия. После охлаждения нагретой композиции припой переходит в твердое состояние. При этом образуется прочное паяное соедине­ние между исходными материалами и припоем.

Процесс пайки хорошо изучен, он прост и не требует сложного и дорогостоящего оборудования. При серийном выпуске изделий электронной техники припайка полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов производится в конвейерных печах, обла­дающих высокой производительностью. Пайка проводится в вос­становительной (водород) или нейтральной (азот, аргон) среде. В печи загружают многоместные кассеты, в которые предваритель­но помещают основания корпусов, навески припоя и полупроводни­ковые кристаллы. При движении конвейерной ленты кассета с сое­диняемыми деталями последовательно проходит зоны нагрева, постоянной температуры, охлаждения. Скорость движения кассеты и температурный режим задают и регулируют в соответствии с тех­нологическими и конструктивными особенностями конкретного типа полупроводникового прибора или ИМС.

Наряду с конвейерными печами для припайки полупроводнико­вого кристалла к основанию корпуса используют установки, кото­рые имеют одну индивидуальную нагреваемую позицию, на которую устанавливают только одну деталь корпуса (ножку) и один полупроводниковый кристалл. При работе на такой установке оператор с помощью манипулятора устанавливает кристалл на основание корпуса и производит кратковременный нагрев соединя­емого узла. В зону нагрева подается инертный газ. Этот способ соединения деталей дает хорошие результаты при условии предва­рительного облуживания соединяемых поверхностей кристалла и основания корпуса.

Процесс присоединения кристалла пайкой подразделяют на низкотемпературный (до 400°С) и высокотемпературный (выше 400°С). В качестве низкотемпературных припоев используют спла­вы на основе свинца и олова с добавками (до 2%) сурьмы или вис­мута. Добавка сурьмы или висмута в оловянно-свинцовый припой позволяет избежать появления «оловянной чумы» в готовых при­борах и ИМС при их эксплуатации и длительном хранении. Высо­котемпературные припои изготовляют на основе серебра (ПСр-45, ПСр-72 и др.).

На технологический процесс пайки и качество полученного пая­ного соединения деталей сильное влияние оказывают чистота сое­диняемых металлических поверхностей и применяемого припоя, состав атмосферы рабочего процесса и наличие флюсов.

Наиболее широкое применение процесс пайки находит при сборке дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзис­торов, тиристоров и Др.). Это объясняется тем, что процесс пайки дает возможность получить хороший электрический и тепловой контакт между кристаллом полупроводника и кристаллодержателем корпуса, причем площадь контактного соединения может быть достаточно большой (для приборов большой мощности).

Особое место процесс пайки занимает при закреплении полу­проводникового кристалла большой площади на основании корпу­са из меди. В этом случае для снижения термомеханических напря­жений, возникающих за счет разницы в температурных коэффици­ентах расширения полупроводниковых материалов и меди, широко используют молибденовые и молибденовольфрамовые термоком­пенсаторы, имеющие площадь, равную площади полупроводнико­вого кристалла, а ТКl -близкий к ТКl полупроводника. Такая сложная многоступенчатая композиция с двумя прослойками из припоя с успехом используется при сборке полупроводниковых приборов средней и большой мощностей.

Дальнейшее развитие процесс пайки получил при сборке интег­ральных микросхем по технологии «перевернутого кристалла». Эта технология предусматривает предварительное создание на планарной стороне кристалла с ИМС «шариковых выводов» или «контакт­ных выступов», которые представляют собой бугорки из меди, покрытые припоем или оловом. Такой кристалл располагают на поверхности подложки или на основании корпуса так, чтобы бугор­ки соприкасались с ней в определенных участках. Таким образом, кристалл переворачивается и его планарная сторона посредством бугорков контактирует с поверхностью основания корпуса.

При кратковременном нагреве такой композиции происходит прочное соединение контактных выступов полупроводникового кристалла с основанием корпуса. Следует отметить, что те участки поверхности корпуса, с которыми соприкасаются «выступы», пред­варительно тоже облуживаются. Поэтому в момент нагрева проис­ходит соединение припоя основания корпуса с припоем контактных вы­ступов.

На рис. 1, а показан вариант присоединения кристалла ИМС, имеющего медные облуженные кон­тактные выступы, к подложке. Та­кая конструкция выводов не боится растекания припоя по подложке. Наличие высокого грибообразного выступа обеспечивает необходимый зазор между полупроводниковым кристаллом и подложкой при расплавлении припоя. Это позволяет проводить присоединение кристалла к подложке с высокой степенью точ­ности.

На рис. 1, в показан вариант сборки кристаллов, имеющих мяг­кие столбиковые выводы из припоя на основе олово-свинец.

Присоединение такого кристалла к основанию корпуса проводят обычным нагревом без дополнитель­ного давления на кристалл. Припой контактных выступов при нагрева­нии и расплавлении не растекается по поверхности облуженных участ­ков основания корпуса за счет сил поверхностного натяжения. Это, кроме того, обеспечивает определен­ный зазор между кристаллом и под­ложкой.

Рассмотренный метод присоединения кристаллов ИМС к осно­ванию корпуса или к какой-либо плате позволяет в значительной степени механизировать и автоматизировать технологический про­цесс сборки.

Приплавление с использованием эвтектических сплавов. Этот способ присоединения полупроводниковых кристаллов к основанию корпуса основан на образовании расплавленной зоны, в которой происходит растворение поверхностного слоя полупроводникового материала и слоя металла основания корпуса.

В промышленности широкое применение получили два эвтекти­ческих сплава: золото-кремний (температура плавления 370°С) я золото-германий (температура плавления 356°С). Процесс эвтектического присоединения кристалла к основанию корпуса имеет две разновидности. Первый вид основан на использовании прокладки из эвтектического сплава, которая располагается между соединяемыми элементами: кристаллом и корпусом. В этом виде соединения поверхность основания корпуса должна иметь зо­лотое покрытие в виде тонкой пленки, а поверхность полупроводни­кового кристалла может не иметь золотого покрытия (для кремния и германия) или быть покрытой тонким слоем золота (в случае присоединения других полупроводниковых материалов). При на­греве такой композиции до температуры плавления эвтектического сплава между соединяемыми элементами (кристалл-основание корпуса) образуется жидкая зона. В этой жидкой зоне происходит с одной стороны растворение слоя полупроводникового материала кристалла (или слоя золота, нанесенного на поверхность кри­сталла).

После охлаждения всей системы (основание корпуса - эвтектический расплав-полупроводниковый кристалл) происходит за­твердевание жидкой зоны эвтектического сплава, а на границе полупроводник-эвтектический сплав образуется твердый раствор. В результате этого процесса создается механически прочное соеди­нение полупроводникового материала с основанием корпуса.

Второй вид эвтектического присоединения кристалла к основа­нию корпуса обычно реализуется для кристаллов из кремния или германия. В отличие от первого вида для присоединения кристал­ла не используется прокладка из эвтектического сплава. В этом случае жидкая зона эвтектического расплава образуется в резуль­тате нагрева композиции позолоченное основание корпуса-кри­сталл кремния (или германия). Рассмотрим подробнее этот процесс. Если на поверхность основания корпуса, имеющего тонкий слой золотого покрытия, поместить кристалл кремния, не имеющий золотого покрытия, и всю систему нагреть до температуры на 40-50°С выше температуры эвтектики золото-кремний, то между соединяемыми элементами образуется жидкая фаза эвтектического состава. Так как процесс сплавления слоя золота с кремнием явля­ется неравновесным, то количество кремния и золота, растворив­шихся в жидкой зоне, будет определяться толщиной золотого по­крытия, температурой и временем проведения процесса сплавления. При достаточно больших выдержках и постоянной температуре процесс сплавления золота с кремнием приближается к равновес­ному и характеризуется постоянным объемом жидкой фазы золо­то-кремний. Наличие большого количества жидкой фазы может привести к вытеканию ее из-под кристалла кремния к его перифе­рии. При затвердевании вытекшая эвтектика приводит к образова­нию достаточно больших механических напряжений и раковин в структуре кристалла кремния, которые резко снижают прочность сплавной структуры и ухудшают ее электрофизические параметры.

При минимальных значениях времени и температуры сплавление золота с кремнием происходит не равномерно по всей площади соприкосновения кристалла с основанием корпуса, а лишь в ее от­дельных точках.

В результате этого уменьшается прочность сплавного соедине­ния, увеличиваются электрическое и тепловое сопротивления кон­такта и снижается надежность полученной арматуры.

Существенное влияние на процесс эвтектического сплавления оказывает состояние поверхностей исходных соединяемых элемен­тов. Наличие загрязнений на этих поверхностях приводит к ухуд­шению смачивания контактирующих поверхностей жидкой фазой и неравномерному растворению.

Приклеивание -это процесс соединения элементов друг с дру­гом, основанный на клеящих свойствах некоторых материалов, которые позволяют получать механически прочные соединения между полупроводниковыми кристаллами и основаниями корпусов (металлическими, стеклянными или керамическими). Прочность склеивания определяется силой сцепления между клеем и склеива­емыми поверхностями элементов.

Склеивание различных элементов интегральных схем дает воз­можность соединять самые разнообразные материалы в различных сочетаниях, упрощать конструкцию узла, уменьшать его массу, снижать расход дорогостоящих материалов, не применять припоев и эвтектических сплавов, значительно упрощать технологические процессы сборки самых сложных полупроводниковых приборов и ИМС.

В результате приклеивания можно получать арматуры и слож­ные композиции с электроизоляционными, оптическими и токопроводящими свойствами. Присоединение кристаллов к основанию корпуса с помощью процесса приклеивания незаменимо при сборке и монтаже элементов гибридных, монолитных и оптоэлектронных схем.

При приклеивании кристаллов на основания корпусов применя­ют различные типы клеев: изоляционные, токопроводящие, светопроводящие и теплопроводящие. По активности взаимодействия между клеем и склеиваемыми поверхностями различают полярные (на основе эпоксидных смол) и неполярные (на основе полиэти­лена).

Качество процесса приклеивания в значительной степени зави­сит не только от свойств клея, но и от состояния поверхностей склеиваемых элементов. Для получения прочного соединения необ­ходимо тщательно обработать и очистить склеиваемые поверхно­сти. Важную роль в процессе склеивания играет температура. Так, при склеивании элементов конструкций, которые не подвергаются в последующих технологических операциях воздействию высоких температур, можно использовать клеи холодного отверждения на эпоксидной основе. Для приклеивания кремниевых кристаллов к металлическим или керамическим основаниям корпусов обычно используют клей ВК-2, представляющий собой раствор кремний-органической смолы в органическом растворителе с мелкодиспергированным асбестом в качестве активного наполнителя или ВК-32-200, в котором в качестве наполнителя используют стекло или кварц.

Технологический процесс приклеивания полупроводниковых кристаллов проводят в специальных сборочных кассетах, обеспе­чивающих нужную ориентацию кристалла на основании корпуса и необходимое прижатие его к основанию. Собранные кассеты в зависимости от используемого клеящего материала подвергают определенной термической обработке или выдерживают при ком­натной температуре.

Особые группы составляют электропроводящие и оптические клеи, используемые для склеивания элементов и узлов гибридных и оптоэлектронных ИМС. Токопроводящие клеи представляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийорганических смол с добавлением порошков серебра или никеля. Среди них наи­более широкое распространение получили клеи АС-40В, ЭК-А, ЭК-Б, К-3, ЭВТ и КН-1, представляющие собой пастообразные жидкости с удельным электрическим сопротивлением 0,01- 0,001 Ом-см и диапазоном рабочих температур от -60 до +150°С. К оптическим клеям предъявляют дополнительные требования по значению коэффициентов преломления и светопропускания. Наи­более широкое распространение получили оптические клеи ОК.-72 Ф, ОП-429, ОП-430, ОП-ЗМ.

Присоединение выводов

В современных полупроводниковых приборах и интегральных мик­росхемах, у которых размер контактных площадок составляет несколько десятков микрометров, процесс присоединения выводов является одним из самых трудоемких технологических операций.

В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам интегральных схем используют три разновидности сварки: термокомпрессионную, электроконтактную и ультразву­ковую.

Термокомпрессионная сварка позволяет присоединять электри­ческие выводы толщиной несколько десятков микрометров к оми­ческим контактам кристаллов диаметром не менее 20-50 мкм, причем электрический вывод можно присоединить непосредственно к поверхности полупроводника без промежуточного металлическо­го покрытия следующим образом. Тонкую золотую или алюминие­вую проволоку прикладывают к кристаллу и прижимают нагретым стержнем. После небольшой выдержки проволока оказывается плотно сцепленной с поверхностью кристалла. Сцепление происхо­дит вследствие того, что даже при небольших удельных давлениях, действующих на кристалл полупроводника и не вызывающих его разрушения, локальное давление в микровыступах на поверхности может быть весьма большим. Это приводит к пластической дефор­мации выступов, чему способствует подогрев до температуры ниже эвтектической для данного металла и полупроводника, что не вы­зывает каких-либо изменений в структуре кристалла. Происходя­щая деформация (затекание) микровыступов и микровпадин обус­ловливает прочную адгезию и надежный контакт, вследствие ван-дер-ваальсовых сил сцепления, а с повышением температуры меж­ду соединяемыми материалами более вероятна химическая связь. Термокомпрессионная сварка имеет следующие преимущества:

a) соединение деталей происходит без расплавления свариваемых материалов;

b) удельное давление, прикладываемое к кристаллу, не приводит к механическим повреждениям полупроводникового материала;

c) соединения получают без загрязнений, так как не используют припои и флюсы.

К недостаткам следует отнести малую производительность процесса.

Термокомпрессионную сварку можно осуществлять путем сое­динений внахлест и встык. При сварке внахлест электрический проволочный вывод, как отмечалось, накладывают на контактную площадку кристалла полупроводника и прижимают к нему специ­альным инструментом до возникновения деформации вывода. Ось проволочного вывода при сварке располагают параллельно плос­кости контактной площадки. При сварке встык проволочный вывод приваривают торцом к контактной площадке. Ось проволочного вывода в месте присоединения перпендикулярна плоскости кон­тактной площадки.

Сварка внахлест обеспечивает прочное соединение кристалла полупроводника с проволочными выводами из золота, алюминия, серебра и других пластичных металлов, а сварка встык-только с выводами из золота. Толщина проволочных выводов может со­ставлять 15-100 мкм.

Присоединять выводы можно как к чистым кристаллам полу­проводника, так и к контактным площадкам, покрытым слоем напылённого золота или алюминия. При использовании чистых поверхностей кристалла увеличивается переходное сопротивление контакта и ухудшаются электрические параметры приборов.

Элементы, подлежащие термокомпрессионной сварке, проходят определенную технологическую обработку. Поверхность кристалла полупроводника, покрытую слоем золота или алюминия, обезжи­ривают.

Золотую проволоку отжигают при 300-600°С в течение 5-20 мин в зависимости от способа соединения деталей. Алюминие­вую проволоку протравливают в насыщенном растворе едкого нат­ра при 80°С в течение 1-2 мин, промывают в дистиллированной воде, и сушат.

Основными параметрами режима термокомпрессионной сварки являются удельное давление, температура нагрева и время сварки, Удельное давление выбирают в зависимости от допустимого на­пряжения сжатия кристалла полупроводника и допустимой дефор­мации материала привариваемого вывода. Время сварки выбирают экспериментальным путем.

где d -диаметр проволоки, мкм; b -ширина соединения, мкм.

Давление на инструмент определяют, исходя из распределения напряжений на стадии завершения деформации:

где A -коэффициент, характеризующий изменение напряжений в процессе деформации проволоки; f -приведенный коэффициент трения, характеризующий трение между инструментом, проволо­кой и подложкой; -относительная деформация; -предел те­кучести материала проволоки при температуре деформации; d - диаметр проволоки; D - диаметр прижимного инструмента, рав­ный обычно (2÷3)d.

Рис. 2. Номограмма для выбора режимов термокомпрессионной сварки:

а - золотой проволоки с плёнкой алюминия; б - алюминиевой проволоки с плёнкой алюминия

На рис. 2 приведены номограммы режимов термокомпрес­сионной сварки золотой (а) и алюминиевой (б) проволоки с алю­миниевыми контактными площадками. Эти номограммы дают воз­можность оптимального выбора соотношения между давлением, температурой и временем.

Термокомпрессионная сварка имеет довольно много разновид­ностей, которые можно классифицировать по способу нагрева, по способу присоединения, по форме инструмента. По способу нагре­ва различают термокомпрессионную сварку с раздельным нагревом иглы, кристалла или пуансона, а также с одновременным нагре­вом двух из этих элементов. По способу присоединения термоком­прессионная сварка может быть встык и внахлест. По форме инструмента различают «птичий клюв», «клин», «капилляр» и «иглу» (рис. 14.3).

При сварке инструментом «птичий клюв» одно и то же устройство подает проволоку, присоединяет ее к контактным площадкам интегральной схемы и автоматически обрывает, не выпуская ее из «клюва». Инструмент в виде «клина» прижимает конец проволоки к подложке, при этом вдавливается не вся проволока, а только центральная ее часть. При сварке с помощью «капиллярного инст­румента» проволока проходит через него. Капиллярный наконеч­ник одновременно служит инструментом, передающим давление на проволоку. При сварке «иглой» конец проволочного вывода подво­дят в зону сварки специальным механизмом и накладывают на контактную площадку, а затем прижимают ее иглой с определенным усилием.

Рис. 3. Типы инструментов для проведения термокомпрессионной сварки:

а - «птичий клюв»; б - «клин»; в - «капилляр»; г - «игла»

Для осуществления процесса термокомпрессионной сварки ис­пользуются различные установки, основными узлами которых являются: рабочий столик с нагревательной колонкой или без нее, механизм создания давления на присоединяемый вывод, рабочий инструмент, механизм подачи и обрыва проволоки для выводов, механизм подачи кристаллов или деталей с присоединенным к ним кристаллом; механизм совмещения соединяемых элементов, опти­ческая система визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управления. Все перечисленные узлы могут иметь раз­личное конструктивное исполнение, однако принцип их устройства и характер выполняемой работы одинаков.

Так, рабочий столик всех установок служит для закрепления кристалла или корпуса интегральной схемы в определенном поло­жении. Обычно рабочий столик термокомпрессионных установок является сменным, что позволяет закреплять кристаллы различных размеров и геометрических форм. Нагревательная колонка служит для нагрева кристаллов или корпусов до требуемой температуры и позволяет регулировать ее в пределах 50-500°С с точностью ре­гулировки +5°С. Механизм создания давления предназначен для прижатия вывода к контактной площадке кристалла и обеспечива­ет регулирование усилия от 0,01 до 5 Н с точностью ±5%. Рабо­чий инструмент является одним из основных узлов термокомпрес­сионной установки. Его изготовляют из твердых сплавов типа ВК-6М, ВК-15 (для инструментов «птичий клюв» и «капилляр»)

или из синтетического корунда (для «клина» и «иглы»). Конструк­ция механизма подачи и отрыва проволоки зависит от типа уста­новки и формы рабочего инструмента. Наиболее широко распрост­ранены два способа отрыва; рычажный и электромагнитный. Про­цесс отрыва проволочного вывода после изготовления термоком­прессионного соединения на кристалле интегральной схемы без нарушения его прочности во многом зависит от конструктивных особенностей механизма. Механизм подачи кристаллов или дета­лей к месту сварки представляет собой обыкновенные зажимы или сложные кассеты, смонтированные на рабочем столике уста­новки. Наибольшая производительность достигается при использо­вании кассет с металлической лентой, на которой корпуса или кристаллы предварительно ориентируются в заданной плоскости и в определенном положении. Механизм совмещения обычно вклю­чает в себя манипуляторы, которые позволяют перемещать кри­сталл до его совмещения с соединяемыми элементами. Обычно используют манипуляторы двух видов: рычажные и пантографные. Оптическая система визуального наблюдения состоит из биноку­лярного микроскопа или увеличительного экрана-проектора. В за­висимости от размеров присоединяемых элементов выбирают уве­личение оптической системы от 10 до 100 крат.

Электроконтактная сварка применяется для присоединения металлических выводов к контактным площадкам кристаллов по­лупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Физиче­ская сущность процесса электроконтактной сварки заключается в нагреве соединяемых элементов в локальных участках приложения электродов. Разогрев локальных областей соединяемых элементов происходит за счет возникающего в местах контакта материала с электродами максимального электрического сопротивления при прохождении через электроды электрического тока. Основными параметрами процесса электроконтактной сварки являются значе­ние сварочного тока, скорость нарастания тока, время воздействия тока на соединяемые элементы и сила прижатия электродов к сое­диняемым деталям.

В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам кристаллов интегральных схем используются два спо­соба электроконтактной сварки: с односторонним расположением двух электродов и с односторонним расположением одного сдвоен­ного электрода. Второй способ отличается от первого тем, что ра­бочие электроды выполнены в виде двух токонесущих элементов, разделенных между собой изоляционной прокладкой. В момент прижатия такого электрода к проволочному выводу и пропускания через образовавшуюся систему электродного тока происходит вы­деление большого количества теплоты в месте контакта. Внешнее давление в сочетании с разогревом деталей до температуры плас­тичности или расплавления приводит к прочному их соединению.

Технологическое оборудование для присоединения выводов ме­тодом электроконтакной сварки включает в себя следующие ос­новные узлы: рабочий столик, механизм создания давления на электрод, механизм подачи и отрезки проволоки, рабочий инстру­мент, механизм подачи кристаллов или корпусов с кристаллами, механизм совмещения соединяемых элементов, оптическую систему визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управ­ления. Рабочий столик служит для расположения на нем кристал­лов или корпусов с кристаллами. Механизм создания давления на электрод позволяет прикладывать усилия 0,1-0,5 Н. Принцип дей­ствия механизма подачи и отрезки проволоки основан на движении проволоки через капиллярное отверстие и отрезании ее рычажным ножом. Форма и материал рабочего инструмента оказывают боль­шое влияние на качество и производительность процесса электро­контактной сварки. Обычно рабочая часть наконечников электро­дов имеет форму усеченной пирамиды и изготовляется из высокопрочного материала на основе карбида вольфрама марки ВК-8. Механизм подачи кристаллов включает в себя набор кассет, а ме­ханизм совмещения-систему манипуляторов, которые позволяют располагать кристалл в нужном положении. Оптическая визуаль­ная система наблюдения состоит из микроскопа или проектора. Блок питания и управления позволяет задавать рабочий режим сварки и производить его перестройку и регулировку при смене типа кристалла и материала вывода.

Ультразвуковая сварка, применяемая для присоединения выво­дов к контактным площадкам полупроводниковых приборов и ин­тегральных схем, имеет следующие преимущества: отсутствие нагрева соединяемых элементов, малое время сварки, возможность сварки разнородных и трудносвариваемых материалов. Отсутствие нагрева позволяет получать соединения без плавления сваривае­мых деталей. Малое время сварки дает возможность повысить про­изводительность процесса сборки.

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.

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 2Н -суммарная толщина свариваемых деталей; t -толщина 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 МБ-медь МБ, медь МБ-медь М1, медь МБ-сталь 10, сплав Н29К18 (ковар) -медь МБ, ковар-медь М1.

Критические давления, необходимые для пластической дефор­мации и холодной сварки, например для сочетания медь-медь, составляют 1,5*10 9 Н/м 2 , для сочетания медь - ковар они равны 2*10 9 Н/м 2 .

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.

Во избежание повреждения полупроводниковых приборов при монтаже необходимо обеспечить неподвижность их выводов вбли­зи корпуса. Для этого следует изгибать выводы на расстоянии не менее 3...5 мм от корпуса и выполнять пайку низкотемператур­ным припоем ПОС-61 на расстоянии не менее 5 мм от корпуса прибора с обеспечением теплоотвода между корпусом и местом пайки. При расстоянии от места пайки до корпуса 8... 10 мм и более ее можно производить без дополнительного теплоотвода (в течение 2...3 с).

Перепайка в монтаже и замена отдельных деталей в схемах с полупроводниковыми приборами должна производиться при от­ключенном питании паяльником с заземленным жалом. При вклю­чении транзистора в схему, находящуюся под напряжением, не­обходимо сначала присоединить базу, затем эмиттер, а потом кол­лектор. Отключение транзистора от схемы без снятия напряжения выполняется в обратной последовательности.

Для обеспечения нормальной работы полупроводниковых при­боров на полной мощности необходимо использовать дополни­тельные теплоотводы. В качестве теплоотводов применяются реб­ристые радиаторы из красной меди или алюминия, которые на­деваются на приборы. При проектировании схем с широким тем­пературным диапазоном работы следует учитывать, что при повышении температуры снижается не только допустимая мощность рассеяния многих типов полупроводниковых приборов, но и до­пустимые напряжения и сила токов переходов.

Эксплуатация полупроводниковых приборов должна осуществ­ляться только в диапазоне требуемых рабочих температур, при этом относительная влажность должна быть до 98 % при темпера­туре 40 °С; атмосферное давление - от 6,7 10 2 до 3 10 5 Па; вибра­ция с ускорением до 7,5g в диапазоне частот 10...600 Гц; много­кратные удары с ускорением до 75g; линейные ускорения до 25g.

Увеличение или уменьшение указанных выше параметров от­рицательно влияет на работу полупроводниковых приборов. Так, изменение диапазона рабочих температур вызывает растрескива­ние кристаллов полупроводников и изменение электрических ха­рактеристик приборов. Кроме того, под действием высокой тем­пературы происходят высыхание и деформация защитных покры­тий, выделение газов и расплавление припоя. Высокая влажность способствует коррозии корпусов и выводов вследствие электро­лиза. Низкое давление вызывает уменьшение пробивного напря­жения и ухудшение теплопередачи. Изменение ускорения ударов и вибрации приводит к появлению механических напряжений и усталости в элементах конструкций, а также механических по­вреждений (вплоть до отрыва выводов) и др.

Для защиты от воздействия вибраций и ускорения конструкция с полупроводниковыми приборами должна иметь амортизацию, а для улучшения влагостойкости должна покрываться защитным лаком.

Электрический монтаж радиокомпонентов должен обеспечивать надежную работу аппаратуры, приборов и систем в условиях механических и климатических воздействий, указанных в ТУ на данный вид РЭА. Поэтому при монтаже полупроводниковых приборов (ПП), интегральных схем (ИС) радиокомпонентов на печатные платы или шасси аппаратуры должны соблюдаться следующие условия:

• надежный контакт корпуса мощного ПП с теплоотводом (радиатором) или шасси;
• необходимая конвекция воздуха у радиаторов и элементов, выделяющих большое количество теплоты;
• удаление полупроводниковых элементов от элементов схемы, выделяющих при работе значительное количество теплоты;
• защита монтажа, расположенного вблизи съемных элементов, от механических повреждений при эксплуатации;
• в процессе подготовки и проведения электрического монтажа ПП и ИС механические и климатические воздействия на них не должны превышать значений, указанных в ТУ;
• при рихтовке, формовке и обрезке выводов ПП и ИС участок вывода около корпуса должен быть закреплен так, чтобы в проводнике не возникали изгибающие или растягивающие усилия. Оснастка и приспособления для формовки выводов должны быть заземлены;
• расстояние от корпуса ПП или ИС до начала изгиба вывода должно быть не менее 2 мм, а радиус изгиба при диаметре вывода до 0,5 мм - не менее 0,5 мм, при диаметре 0,6- 1 мм - не менее 1 мм, при диаметре свыше 1 мм - не менее 1,5 мм.

В процессе монтажа, транспортировки и хранения ПП и ИС (особенно полупроводниковых приборов СВЧ) необходимо обеспечивать их защиту от воздействия статического электричества. Для этого все монтажное оборудование, инструменты, контрольно-измерительную аппаратуру надежно заземляют. Чтобы снять статическое электричество с тела электромонтажника, пользуются заземляющими браслетами и специальной одеждой.

Для отвода теплоты участок вывода между корпусом ПП (или ИС) и местом пайки зажимают специальным пинцетом (теплоотводом). Если температура припоя не превышает 533 К ± 5 К (270 °С), а время пайки не более 3 с, пайку выводов ПП (или ИС) производят без теплоотвода или применяют групповую пайку (волной припоя, погружением в расплавленный припой или др.).

Очистку печатных плат (или панелей) от остатков флюса после пайки производят растворителями, которые не влияют на маркировку и материал корпусов ПП (или ИС).

При установке ИС с жесткими радиальными выводами в металлизированные отверстия печатной платы выступающая часть выводов над поверхностью платы в местах пайки должна быть 0,5-1,5 мм. Монтаж ИС этим способом производят после подрезки выводов (рис. 55). Для облегчения демонтажа установку ИС на печатные платы рекомендуется производить с зазорами между их корпусами.

Рис. 55. Формовка жестких радиальных выводов ИС:
1 - отформованные выводы, 2 - выводы перед формовкой

Интегральные схемы в корпусах с мягкими планарными выводами устанавливают на контактные площадки платы без монтажных отверстий. В этом случае их расположение на плате определяется формой контактных площадок (рис. 56).

Рис. 56. Монтаж ИС с плоскими (планарными) выводами на печатную плату:
1 - контактная площадка с ключом, 2 - корпус, 3 - плата, 4 - вывод

Примеры формовки ИС с планарными выводами приведены на рис. 57.

Рис. 57. Формовка плоских (планарных) выводов ИС при установке на плату без зазора (я), с зазором (б)

Установка и крепление ПП и И С, а также навесных радиокомпонентов па печатные платы должны обеспечивать доступ к ним и возможность их замены. Для охлаждения ИС их следует располагать на печатных платах с учетом движения воздушного потока вдоль их корпусов.

Для электрического монтажа ПП и малогабаритных радиокомпонентов сначала их устанавливают на монтажную арматуру (лепестки, штыри и т. п.) и механически закрепляют на ней выводы. Для пайки монтажного соединения применяют бескислотный флюс, остатки которого после пайки удаляют.

Радиокомпоненты к монтажной арматуре крепят либо механически на собственных выводах, либо дополнительно хомутом, скобой, держателем, заливкой компаундом, мастикой, клеем и др. При этом радиокомпоненты закрепляют так, чтобы они не смещались при вибрации и ударах (тряске). Рекомендуемые виды крепления радиокомпонентов (сопротивлений, конденсаторов, диодов, транзисторов) показаны на рис. 58.

Рис. 58. Установка радиокомпонентов на монтажную арматуру:
а, б - резисторов (конденсаторов) с плоскими и круглыми выводами, в - конденсатора ЭТО, г - диодов Д219, Д220, д - мощного диода Д202, е - триодов МП-14, МП-16, ж - мощного триода П4; 1 - корпус, 2 - лепесток, 3 - вывод, 4 - радиатор, 5 - провода, 6 - изоляционная трубка

Механическое крепление выводов радиокомпонентов на монтажной арматуре производится загибкой или скруткой их вокруг арматуры с последующим обжатием. При этом излом вывода при обжатии не допускается. При наличии в контактной стойке или лепестке отверстия вывод радиокомпонента перед пайкой механически закрепляют, продевая его через отверстие и огибая на половину или целый оборот вокруг лепестка или стойки с последующим обжатием. Излишек вывода при этом удаляют боковыми кусачками, а место крепления обжимают плоскогубцами.

Как правило, способы установки радиокомпонентов и крепления их выводов оговариваются в сборочном чертеже на изделие.

Для уменьшения расстояния между радиокомпонентом и шасси на их корпуса или выводы надевают изоляционные трубки, диаметр которых равен или несколько меньше диаметра радиокомпонента. В этом случае радиокомпоненты располагают вплотную друг к другу или к шасси. Изоляционные трубки, надеваемые на выводы радиокомпонентов, исключают возможность замыкания с соседними токопроводящими элементами.

Длина монтажных выводов от места пайки до корпуса радиокомпоиента приводится в ТУ и, как правило, оговаривается в чертеже: для дискретных радиокомпонеитов она должна быть не менее 8 мм, а для ПП - не менее 15 мм. Длина вывода от корпуса до изгиба радиокомпонента также оговаривается в чертеже: она должна быть не менее 3 мм. Выводы радиокомпонентов изгибают шаблоном, приспособлением или специальным инструментом. Причем внутренний радиус изгиба должен быть не меньше удвоенного диаметра или толщины вывода. Жесткие выводы радиокомпонентов (сопротивлений ПЭВ и т. п.) при монтаже отгибать не разрешается.

Радиокомпоненты, подбираемые при настройке или регулировке прибора, следует подпаивать без механического закрепления на полную длину своих выводов. После подбора их номиналов и регулировки прибора радиокомпоненты должны быть подпаяны к опорным точкам с механическим закреплением выводов.

Сборка и герметизация микросхем и полупроводниковых приборов включает в себя 3 основные операции: присоединение кристалла к основанию корпуса, присоединение выводов и защиту кристалла от воздействия внешней среды. От качества сборочных операций зависят стабильность электрических параметров и надёжность конечного изделия. кроме того, выбор метода сборки влияет на суммарную стоимость продукта.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Основными требованиями при присоединении полупроводинкового кристалла к основанию корпуса являются высокая надёжность соединения, механическая прочность и в ряде случаев высокий уровень передачи тепла от кристалла к подложке. Операцию присоединения проводят с помощью пайки или приклеивания.

Клеи для монтажа кристаллов могут быть условно разделены на 2 категории: электропроводящие и диэлектрические. Клеи состоят из связующего вещества клеи и наполнителя. Для обеспечения электро- и теплопроводности в состав клея как правило вводят серебро в виде порошка или хлопьев. Для создания теплопроводящих диэлектрических клеев в качестве наполнителя используют стеклянные или ке-рамические порошки.

Пайка осуществляется с помощью проводящих стеклянных или металлических припоев.

Стеклянные припои - это материалы, состоящие из оксидов металлов. Они обладают хорошей адгезией к широкому спектру керамики, оксидов, полупроводниковых материалов, металлов и характеризуются высокой коррозионной стойкостью.

Пайка металлическими припоями осуществляется с помощью навесок или прокладок припоя заданной формы и размеров (пре-форм), помещаемых между кристаллом и подложкой. В массовом производстве применяется специализированная паяльная паста для монтажа кристаллов.

Присоединение выводов

Процесс присоединения выводов кристалла к основанию корпуса осуществляется с помощью про-волоки, ленты или жёстких выводов в виде шариков или балок.

Проволочный монтаж осуществляется термокомпресионной, электроконтактной или ультразвуковой сваркой с помощью золотой, алюминиевой или медной проволоки/лент.

Беспроволочный монтаж осуществляется в технологии «перевёрнутого кристалла» (Flip-Chip). Жёсткие контакты в виде балок или шариков припоя формируются на кристалле в процессе создания металлизации.

Перед нанесением припоя поверхность кристалла пассивируется. После литографии и травления, контактные площадки кристалла дополнительно металлизируются. Эта операция проводится для создания барьерного слоя, предотвращения окисления и для улучшения смачиваемости и адгезии. После этого формируются выводы.

Балки или шарики припоя формируются методами электролитического или вакуумного напыления, заполнения готовыми микросферами или методом трафаретной печати. Кристалл со сформированными выводами переворачивается и монтируется на подложку.

Защита кристалла от воздействия внешней среды

Характеристики полупроводникового прибора в сильной степени определяются состоянием его по-верхности. Внешняя среда оказывает существенное влияние на качество поверхности и, соответствен-но, на стабильность параметров прибора. данное воздействие изменяется в процессе эксплуатации, поэтому очень важно защитить поверхность прибора для увеличения его надёжности и срока службы.

Защита полупроводникового кристалла от воздействия внешней среды осуществляется на заклю-чительном этапе сборки микросхем и полупроводниковых приборов.

Герметизация может быть осуществлена помощью корпуса или в бескорпусном исполнении.

Корпусная герметизация осуществляется путём присоединения крышки корпуса к его основанию с помощью пайки или сварки. Металлические, метало-стеклянные и керамические корпуса обеспечива-ют вакуум-плотную герметизацию.

Крышка в зависимости от типа корпуса может быть припаяна с использованием стеклянных при-поев, металлических припоев или приклеена с помощью клея. Каждый из этих материалов обладает своими преимуществами и выбирается в зависимости от решаемых задач

Для бескорпусной защиты полупроводниковых кристаллов от внешних воздействий используют пластмассы и специальные заливочные компаунды, которые могут быть мягкими или твёрдыми после полимеризации, в зависимости от задач и применяемых материалов.

Современная промышленность предлагает два варианта заливки кристаллов жидкими компаундами:

1. Заливка компаундом средней вязкости (glob-top, Blob-top)
2. Создание рамки из высоковязкого компаунда и заливка кристалла компаундом низкой вязкости (Dam-and-Fill).

Основное преимущество жидких компаундов перед другими способами герметизации кристалла за-ключается в гибкости системы дозирования, которая позволяет использовать одни и те же материалы и оборудование для различных типов и размеров кристаллов.

Полимерные клеи различают по типу связующего вещества и по типу материала наполнителя.

Связующий материал

Органические полимеры, используемые в качестве адгезива, могут быть разделены на две основные категории: реактопласты и термопласты. Все они являются органическими материалами, но

существенно отличаются по химическим и физическим свойствам.

В реактопластах при нагреве полимерные цепи необратимо сшиваются в жёсткую трёхмерную сетчатую структуру. Возникающие при этом связи позволяют получать высокую адгезионную способность материала, но при этом ремонтопригодность ограничена.

В термопластичных полимерах не происходит отверждения. Они сохраняют способность к размягчению и расплавлению при нагреве, создавая прочные эластичные связи. Это свойство позволяет использовать термопласты в задачах, где требуется ремонтопригодность. Адгезионная способность термопластичных пластмасс ниже, чем у реактопластов, но в большинстве случаев вполне достаточна.

Третий тип связующего вещества - смесь термопластов и реактопластов, объединяющая в себе

преимущества двух типов материалов. Их полимерная композиция представляет собой взаимопроникающую сеть термопластичных и реактопластичных структур, что позволяет использовать их для создания высокопрочных ремонтопригодных соединений при относительно низких температурах (150 о С - 200 о С).

Каждая система имеет свои достоинства и недостатки. Одним из ограничений в использовании термопластичных паст является медленное удаление растворителя в процессе оплавления. Раньше для соединения компонентов с использованием термопластичных материалов требовалось провести процесс нанесения пасты (соблюдая плоскостность), сушки для удаления растворителя и только затем установки кристалла на подложку. Такой процесс исключал образование пустот в клеящем материале, но увеличивал стоимость и затруднял использование данной технологии в массовом производстве.

Современные термопластичные пасты обладают способностью очень быстрого испарения растворителя. Это свойство позволяет наносить их методом дозирования, используя стандартное оборудование, и устанавливать кристалл на ещё не высушенную пасту. Далее следует этап быстрого низкотемпературного нагрева, во время которого растворитель удаляется, и после оплавления создаются адгезионные связи.

Долгое время имелись сложности с созданием высоко теплопроводящих клеев на основе термопластов и реактопластов. Данные полимеры не позволяли увеличивать содержание теплопроводящего наполнителя в пасте, поскольку для хорошей адгезии требовался высокий уровень связующего вещества (60-75%). Для сравнения: в неорганических материалах доля связующего вещества могла быть уменьшена до 15-20%. Современные полимерные клеи (Diemat DM4130, DM4030, DM6030) лишены этого недостатка, и содержание теплопроводящего наполнителя достигает 80-90%.

Наполнитель

Основную роль в создании тепло-, электропроводящего адгезива играют тип, форма, размер и количество наполнителя. В качестве наполнителя используется серебро (Ag) как химически стойкий материал с наиболее высоким коэффициентом теплопроводности. Современные пасты содержат в себе

серебро в виде порошка (микросферы) и хлопьев (чешуек). Точный состав, количество и размер частиц экспериментально подбираются каждым производителем и в сильной степени определяют теплопроводящие, электропроводящие и клеящие свойства материалов. В задачах, где требуется диэлектрик с теплопроводящими свойствами, в качестве наполнителя используется керамический порошок.

При выборе электропроводящего клея следует принимать во внимание следующие факторы:

• Тепло-, электропроводность используемого клея или припоя
• Допустимые технологические температуры монтажа
• Температуры последующих технологических операций
• Механическая прочность соединения
• Автоматизация процесса монтажа
• Ремонтопригодность
• Стоимость операции монтажа

Кроме того, при выборе адгезива для монтажа следует обращать внимание на модуль упругости полимера, площадь и разность КТР соединяемых компонентов, а также толщину клеевого шва. Чем ниже модуль упругости (чем мягче материал), тем большие площади компонентов и большая разница КТР соединяемых компонентов и более тонкий клеевой шов допустимы. Высокое значение модуля упругости вносит ограничение в минимальную толщину клеевого шва и размеры соединяемых компонентов из-за возможности возникновения больших термомеханических напряжений.

Принимая решение о применении полимерных клеев, необходимо учитывать некоторые технологические особенности этих материалов и соединяемых компонентов, а именно:

• длина кристалла (или компонента) определяет величину нагрузки на клеевой шов после охлаждения системы. Во время пайки кристалл и подложка расширяются в соответствии со своими КТР. Для кристаллов большого размера необходимо использовать мягкие (с низким модулем упругости) адгезивы или согласованные по КТР материалы кристалла/подложки. Если различие КТР слишком велико для данного размера кристалла, соединение может быть нарушено что приведет к отслаиванию кристалла от подложки. Для каждого типа пасты производитель, как правило, даёт рекомендации по максимальным размерам кристалла для определённых значений разницы КТР кристалла/подложки;

• ширина кристалла (или соединяемых компонентов) определяет расстояние, которое проходит растворитель, содержащийся в адгезиве, до того как покинет клеевой шов. Поэтому размер кристалла должен учитываться и для правильного удаления растворителя;

• металлизация кристалла и подложки (или соединяемых компонентов) не обязательна. Обычно полимерные клеи имеют хорошую адгезию ко многим неметаллизированым поверхностям. Поверхности должны быть очищены от органических загрязнений;

• толщина клеевого шва. Для всех адгезива, содержащих тепло- , электропроводящий наполнитель, существует ограничение по минимальной толщине клеевого шва dx (см. рисунок). Слишком тонкий шов не будет иметь достаточно связующего вещества, чтобы покрыть весь наполнитель и сформировать связи с соединяемыми поверхностями. Кроме того, для материалов с высоким модулем упругости толщина шва может ограничиваться различными КТР для соединяемых материалов. Обычно для клеев с низким модулем упругости рекомендуемая минимальная толщина шва составляет 20-50 мкм, для клеев с высоким модулем упругости 50-100 мкм;

• время жизни адгезива до установки компонента. После нанесения адгезива растворитель из пасты начинает постепенно испаряться. Если клей высыхает, то не происходит смачивания и приклеивания соединяемых материалов. Для компонентов малого размера, где отношение площади поверхности к объёму нанесённого клея велико, растворитель испаряется быстро, и время после нанесения до установки компонента необходимо минимизировать. Как правило, время жизни до установки компонента для различных клеев варьируется от десятков минут до нескольких часов;

• время жизни до термического отверждения клея отсчитывается от момента установки компонента до помещения всей системы в печь. При длительной задержке может происходить расслоение и растекание клея, что негативным образом сказывается на адгезии и теплопроводности материала. Чем меньше размер компонента и количество нанесённого клея, тем быстрее он может высохнуть. Время жизни до термического отверждения клея может варьироваться от десятков минут до нескольких часов.

Выбор проволоки, лент

Надёжность проволочного/ленточного соединения в сильной степени зависит от правильного вы-бора проволоки/ленты. Основными факторами определяющими условия применения того или иного типа проволоки являются:

Тип корпуса . В герметичных корпусах используется только алюминиевая или медная проволока, поскольку золото и алюминий образуют хрупкие интерметаллические соединения при высоких темпе-ратурах герметизации. Однако для негерметичных корпусов используется только золотая проволока/ лента, поскольку данный тип корпуса не обеспечивает полную изоляцию от влаги, что приводит к коррозии алюминиевой и медной проволоки.

Размеры проволоки/лент (диаметр, ширина, толщина) более тонкие проводники требуются для схем с малыми контактными площадками. С другой стороны, чем выше ток, протекающий через соединение, тем большее сечение проводников необходимо обеспечить

Прочность на разрыв . Проволока/ленты подвергаются внешнему механическому воздействию в течение последующих этапов и в процессе эксплуатации, поэтому, чем выше прочность на разрыв, тем лучше.

Относительное удлинение . Важная характеристика при выборе проволоки. Слишком высокие значения относительного удлинения усложняют контроль формирования петли при создании прово-лочного соединения.

Выбор метода защиты кристалла

Герметизация микросхем может быть осуществлена помощью корпуса или в бескорпусном исполнении.

При выборе технологии и материалов, которые будут использоваться на этапе герметизации, следу-ет принимать во внимание следующие факторы:

• Необходимый уровень герметичности корпуса
• Допустимые технологические температуры герметизации
• Рабочие температуры микросхемы
• Наличие металлизации соединяемых поверхностей
• Возможность использования флюса и специальной атмосферы монтажа
• Автоматизация процесса герметизации
• Стоимость операции герметизации

В статье приведён обзор технологий и материалов, применяемых для формирования столбиковых выводов на полупроводниковых пластинах при производстве микросхем.