Расчет напряжений в микросоединениях, сформированных ультразвуковой микросваркой паучковых выводов к кристаллам ИС

Беспроволочный монтаж ИС с использованием паучковых выводов широко используется в производстве. Технологический процесс сборки некоторых типов ИС заключается в следующем. Система алюминиевых проводников – выводов, расположенная на полиимидной основе, совмещается с контактными площадками кристалла. Пленка полиимида, накладываясь на лицевую поверхность кристалла, исключает короткое замыкание выводов на край кристалла и создает одинаковую для всех выводов высоту деформирования (прогиба) при микросварке. Выводы присоединяются при помощи ультразвуковой сварки путем их последовательного обхода на полуавтомате с программным управлением.

После присоединения выводов микросварные контакты и лицевая поверхность кристалла ИС защищаются полимерным компаундом. Полученные таким образом бескорпусные ИС, поступают на операцию измерения электрических параметров и тренировок. В процессе полимеризации защитного компаунда, тренировок ИС, монтажа их на подложки или корпуса возможно температурное воздействие до 300°С.

Вследствие различия коэффициентов термического расширения материалов элементов конструкции (полиимид, алюминий, кремний) в микросварных контактах возникают механические напряжения. Наиболее опасны напряжения от усилий, направленных вдоль оси вывода R_x (рис. 7.6). В удаленных от оси симметрии контактах могут возникнуть напряжения и от усилий, направленных перпендикулярно к оси вывода в плоскости кристалла R_у. В результате смещения конца вывода относительно нейтральной оси из-за отклонений в размерах кристалла и полиимидной ленты возникает сила R_z. Эта сила действует на сварное соединение в направлении параллельном плоскости кристалла.

При сборке под действием микросварочного инструмента происходит упругопластическая деформация вывода и при воздействии ультразвуковых колебаний образование неразъемного соединения.

Известно, что во всем диапазоне деформаций (наиболее точно в пластической области) зависимость σ – ε (напряжение – деформация) аналитически выражена степенной функцией

где К и n – константы кривых упрочнения, которые обычно выражаются через основные механические свойства, известные по стандартным испытаниям металла на растяжение.

При деформации микропроводника по окончании стадии упругого изгиба начинается пластический изгиб с первоначальной и постепенно увеличивающейся кривизной. Тогда, кроме нормальных растягивающих и сжимающих напряжений, возникают радиально сжимающие, которые достигают максимальной величины в нейтральном слое. При этом главные нормальные напряжения при пластическом изгибе равны между собой, что указывает на смещение нейтрального слоя.

Рис. 7.6. Расчетная схема для определения напряжений изгиба в выводе и напряжений сдвига в сварном соединении: R_x, R_y и R_z - усилия действующие на вывод; ρ₀ - радиус кривизны нейтрального слоя; L - длина вывода; В - ширина вывода; y - прогиб вывода

В технологии обработки металлов давлением при холодной штамповке применяется гибка с малым радиусом закругления, сопровождаемая уменьшением толщины материала и смещением нейтрального слоя в сторону сжатых волокон. В этом случае радиус кривизны нейтрального слоя при чистом изгибе образца прямоугольного сечения определяется по формуле

где R – наружный радиус изогнутого вывода; r – внутренний радиус гибки; α = h₁/h – коэффициент утонения; β = B_cp/B – коэффициент уширения.

Следует заметить, что в микроэлектронике при монтаже ИС с паучковыми выводами использование данной формулы для расчета радиуса кривизны ρ₀ нецелесообразно, т. к. паучковые выводы представляют собой микропровода прямоугольного сечения, при этом их ширина соизмерима с толщиной. При изгибе паучкового вывода взаимное нажатие волокон друг на друга незначительно, что характеризуется только линейным напряженным и объемным деформированным состоянием.

Кроме того, нагружение паучковых выводов сварочным инструментом осуществляется на присоединяемом участке, в то время как другой находится в защемленном состоянии. В этом случае радиус изгиба ρ₀ зависит от длины L и прогиба вывода Y и определяется согласно рис. 7.6 по формуле

Расположение зон упругой и пластической деформации по высоте сечения (рис. 7.7) зависит от радиуса кривизны нейтрального слоя ρ₀ и определяется относительно последнего по формуле

где Е – модуль упругости материала вывода; К и n – константы кривых упрочнения.

Для принятой схемы и при условии, что в сечении вывода превалируют пластические деформации, соотношение между кривизной и изгибающим моментом имеет вид

где М – изгибающий момент; К и n – константы кривых упрочнения; – приведенный момент инерции прямоугольного сечения вывода; B и h – соответственно ширина и толщина вывода.

Рис. 7.7. Схема упругопластического изгиба паучкового вывода при ультразвуковой сварке: 1 – вывод; 2 – пленка полиимида; 3 – кристалл; 4 – подложка

После соответствующих математических преобразований найдены величины сил R_x, R_у и R_z и напряжения, обусловленные этими силами для длины выводов от 0,1 до 3,0 мм. Установлено, что напряжения при изгибе в алюминиевом выводе (В=0,15 и h=0,03 мм) и сварном микросоединении не превышают допустимых значений при длине вывода свыше 0,3 мм.

Проведенные расчеты позволяют на стадии разработки ИС определять оптимальные геометрические размеры паучковых выводов, что обеспечивает получение качественных микросоединений (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Внешний вид микросварных соединений алюминиевых паучковых выводов к кристаллам ИС, сформированных ультразвуковой микросваркой: а, б – на оптимальных режимах; в, г – с отклонениями геометрических размеров выводов и режимов сварки. Увеличение 350^х (а, в) и 150^х (б, г)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: