Глава 1. Металлические материалы для формирования внутренних соединений

В.В. Зенин А.В. Рягузов

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ СБОРКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Учебное пособие

Воронеж 2005

Воронежский государственный

технический университет

В.В. Зенин А.В. Рягузов

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ СБОРКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Утверждено редакционно-издательским

советом университета в качестве

учебного пособия

Воронеж 2005

Зенин В.В., Рягузов А.В. Конструктивно-технологические аспекты сборки полупроводниковых изделий: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2005. 353 с.

В учебном пособии рассматривается влияние конструктивно-технологических факторов на основные сборочные операции в технологии производства полупроводниковых изделий: монтаж кристаллов и присоединение внутренних выводов. Приведены сведения о влиянии физико-механических свойств материалов внутренних выводов и конструкции сварочного инструмента на качество микросоединений. Рассмотрены методы и устройства оценки адгезии пленок к подложке, особенности пайки полупроводниковых изделий бессвинцовыми припоями.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210200 «Проектирование и технология электронных средств» и специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word и содержится в файле
Кон.-тех.асп.сбор.ППИ.doc.

Табл. 47. Ил. 121. Библиогр.: 33 назв.

Рецензенты: кафедра физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Е.Н. Бормонтов);

д-р техн. наук, проф. Б.К. Петров

Введение. 9

Глава 1. Металлические материалы для формирования внутренних соединений 11

1.1. Микронная алюминиевая проволока. 13

1.2. Влияние свойств проволоки и ее подготовки к сварке на качество соединений СПП 16

Глава 2. Инструмент для сборочных операций ППИ. 18

2.1. Технологические особенности изготовления инструмента 22

2.2. Влияние конструкции инструмента на качество микросоединений 23

2.3. Схватывание инструмента с выводами при монтаже. 26

2.4. Инструмент для сварки внутренних выводов СПП. 29

2.5. Инструмент для монтажа выводов и кристаллов. 35

Глава 3. Методы и устройства для оценки адгезии пленок к подложкам 37

3.1. Неразрушающие методы.. 38

3.2. Разрушающие методы.. 42

3.3. Влияние технологических факторов на адгезионную прочность пленок с подложкой 54

3.4. Контроль адгезии в микросварных соединениях. 62

3.5. Устройство для экспресс-контроля адгезии пленок к подложкам 66

3.6. Устройства для оценки адгезионной прочности локальных пленочных площадок с подложкой 71

Глава 4. Монтаж полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов 78

4.1. Пайка кристаллов. 79

4.1.1. Оборудование для монтажа кристаллов. 89

4.2. Групповая термоимпульсная пайка кристаллов. 92

4.3. Оценка смачиваемости и растекания припоя по паяемой поверхности 97

4.4. Заполнение припоем капиллярного зазора между кристаллом и корпусом при пайке 108

4.5. Контроль качества паяных соединений. 114

4.6. Посадка на клей. 117

4.6.1. Оборудование для клеевых соединений. 127

Глава 5. Бессвинцовая пайка в технологии производства ППИ 128

5.1. Недостатки Pb-Sn припоев. 128

5.2. Экологические аспекты проблемы бессвинцовой пайки изделий микроэлектроники 133

5.2.1. Нормативные требования к размещению твердых бытовых и токсичных промышленных отходов. 135

5.2.2. Токсикологическая оценка металлов, входящих в состав припоев и покрытий для бессвинцовой пайки. 137

5.2.3. Экологическая оценка припоев ПОС40 (40Sn/60Pb) и бессвинцового 95,5Sn/4Ag/0,5Cu. 141

5.3. Покрытия для бессвинцовой пайки. 144

5.3.1. Цинковое покрытие. 145

5.3.2. Олово – висмутовое покрытие. 146

5.3.3. Оловянное покрытие. 151

5.3.4. Никелевое покрытие. 152

5.3.5. Сплав никель – олово. 154

5.3.6. Серебряное покрытие. 155

5.4. Бессвинцовые припои в технологии производства ППИ.. 157

5.4.1. Индиевые припои. 159

5.4.2. Висмутовые припои. 160

5.4.3. Припои на цинковой основе. 161

5.4.4. Припои на основе кадмия. 161

5.4.5. Припои на основе олова. 162

5.5. Пайка кристаллов к основаниям корпусов ППИ.. 164

5.5.1. Пайка кристаллов ППИ на основания корпусов с образованием эвтектики Si-Au 168

5.5.1.1. Свойства золота. 168

5.5.1.2. Подготовка золотой фольги и позолоченных корпусов ППИ к сборочным операциям.. 169

5.5.1.3. Остаточные механические напряжения в кристаллах при эвтектической пайке Si-Au. 172

5.5.1.4. Новый способ подготовки золотой прокладки к пайке 174

5.5.2. Пайка кристаллов ППИ на основания корпусов с образованием эвтектики Sn-Zn 175

5.5.2.1. Возможные варианты пайки кристаллов на эвтектику Sn-Zn 177

5.5.3. Металлическая система для монтажа полупроводникового кристалла к корпусу 179

5.6. Пайка золота в изделиях микроэлектроники оловянно-индиевыми припоями 182

5.6.1. Исследование растворения золотой проволоки в жидкой фазе припоя ПОИн50 184

5.6.2. Исследование растворения золотой проволоки в твердой фазе припоя ПОИн50 187

5.6.3. Взаимодействие припоя ПОИн50 с золотым технологическим покрытием ППИ 191

Глава 6. Проволочный монтаж в производстве ППИ. 197

6.1. Способы присоединения проволочных выводов. 200

6.1.1. Термокомпрессионная микросварка. 201

6.1.2. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН) 207

6.1.3. Ультразвуковая микросварка. 208

6.1.3.1. Расчет концентраторов для установок ультразвуковой микросварки 209

6.1.4. Односторонняя контактная сварка. 215

6.1.5. Пайка электродных выводов. 216

6.1.5.1. Оборудование для присоединения проволочных выводов 217

6.2. Влияние состава алюминиевой металлизации на качество микросварных соединений Al-Al 221

6.2.1. Повышение качества микросоединений, выполненных УЗС 221

6.2.2. Повышение качества микросоединений, выполненных ТКС 226

6.3. Микросварные соединения алюминиевой проволоки с алюминиевым гальваническим покрытием корпусов изделий электронной техники. 229

6.3.1. Алюминиевые покрытия, полученные электролитическим методом 230

6.3.2. Влияние свойств покрытия на качество соединений с алюминиевой проволокой при термокомпрессионной сварке. 240

6.3.3. Коррозионная стойкость микросоединений Al_п-Al_г 246

6.4. Исследование микросварных соединений алюминиевой проволоки с золотым гальваническим покрытием корпусов изделий электронной техники 249

6.4.1. Микросварные соединения Al-Au. 250

6.4.2. Термоэлектротренировка микросварных контактов Al-Au. 254

6.4.3. Повышение коррозионной стойкости микросоединений Al-Au. 258

6.5. Микросварные соединения алюминиевой проволоки в корпусах ППИ с покрытиями из никеля и его сплавов. 261

6.5.1. Микросварные соединения к корпусам с покрытиями Ni и его сплавами 262

6.5.2. Стойкость микросварных соединений Аl-Ni к температурным воздействиям и под токовой нагрузкой. 267

6.5.3. Свариваемость алюминиевой проволоки с никель-бор покрытием при термообработке. 270

6.6. Оптимизация режима ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки с серебряным гальваническим покрытием корпусных деталей СПП. 274

6.6.1. Серебряное покрытие. 275

6.6.2. Подготовка корпусов с серебряным покрытием к сборочным операциям 277

6.6.3. Выбор оптимального режима УЗС соединения Al-Ag 281

6.6.4. Тепловые эффекты в зоне соединения Al-Ag. 288

6.7. Выбор оптимальных режимов сварки внутренних микросоединений датчиков газов 291

Глава 7. Групповой монтаж в технологии производства ППИ. 299

7.1. Пайка полупроводниковых кристаллов с объемными выводами к основаниям корпусов методом «flip-chip» 300

7.1.1. Изготовление шариков припоя и размещение их на кристалле 300

7.1.2. Изготовление столбиковых припойных выводов. 303

7.1.3. Формирование шариковых выводов оплавлением проволоки 313

7.1.4. Пайка кристаллов со столбиковыми выводами на контактные площадки 317

7.2. Сборка ППИ с паучковыми выводами. 320

7.2.1. Расчет напряжений в микросоединениях, сформированных ультразвуковой микросваркой паучковых выводов к кристаллам ИС 321

7.2.2. Особенности монтажа внутренних выводов БИС и СБИС 326

Глава 8. Контроль качества внутренних соединений ППИ. 336

8.1. Разработка методики оценки прочности микросоединений в изделиях силовой электроники 336

8.1. Оценка прочности микросоединений в ППИ.. 338

8.2. Контроль прочности микросоединений БИС и СБИС. 344

Заключение. 350

Библиографический список. 351

Введение

Достижения интегральной электроники, которая в настоящее время используется практически во всех областях науки и техники, обусловлены повышением степени интеграции элементов на кристалле, увеличением быстродействия, уменьшением потребляемой мощности и повышением надежности микросхем.

Надежность полупроводниковых изделий (ППИ) тесно связана с технологией производства и, в особенности, с операциями получения контактных соединений. Одной из наиболее распространенных причин отказов, связанных с процессом производства, является нарушение микросоединений кристалла с корпусом и внутренних выводов с контактными площадками кристалла и корпуса. По данным отечественной и зарубежной литературы от 35 до 60 % всех отказов в радиоэлектронной аппаратуре приходится на долю микросоединений.

Развитие технологии производства интегральных схем (ИС) осуществляется в направлении уменьшения размеров приборов и увеличения плотности упаковки, что вызывает необходимость уменьшения ширины металлических пленок, используемых в качестве межсоединений. Однако от ширины пленочной металлизации зависит среднее время наработки на отказ, обусловленное электродиффузией. С уменьшением ширины пленок снижается и среднее время наработки до отказа приборов. В процессе эксплуатации ППИ имеют место отказы, связанные с деградацией микросоединений внутренних выводов.

Поэтому при разработке новых приборов, а также при оценке работоспособности существующих конструкций необходимо учитывать влияние условий изготовления и эксплуатации на структуру и свойства микроконтактов, особенно в случае наличия биметаллических пар. Электрическая и механическая стабильность биметаллических пар во многом определяется интерметаллическими соединениями, образующимися за счет взаимной диффузии различных металлов при повышенной температуре.

Следует отметить, что широкое внедрение автоматизированного оборудования и новых методов сборки сдерживается из-за недостаточной изученности конструктивно-технологических факторов, влияющих на прочность и надежность микросоединений и снижающих производительность сборочного оборудования. На качество микросоединений оказывают влияние не только правильный выбор способов и режимов монтажа, но и таких параметров, как структура пленок и адгезионная прочность их с подложкой, физико-механические свойства материалов выводов и конструкция сварочного инструмента. Известно, что проволока микронных размеров имеет нестабильность геометрических размеров и механических свойств; это является одной из причин низкой воспроизводимости качества внутренних микросоединений.

Вопросы дальнейшего совершенствования оборудования и технологии сборки остаются в центре внимания разработчиков и изготовителей современных ППИ. Повышение производительности и надежности сборки самым тесным образом связано с конструкцией микросварочного инструмента. Современные высокопроизводительные сборочные автоматы требуют оснащения износостойким, дешевым и надежным инструментом.

Обеспечение качества микросоединений в ППИ в процессе их разработки и серийного производства возможно путем исследований влияний конструктивно-технологических факторов на формирование сварных и паяных микросоединений.

В некоторых разделах учебного пособия использованы материалы статей, авторских свидетельств СССР и патентов Российской Федерации, опубликованные в соавторстве с к.т.н. Бокаревым Д.И., д.т.н. Горловым М.И., к.т.н. Колычевым А.И., к.т.н. Осенковым В.Н., к.т.н. Сегалом Ю.Е. и к.х.н. Спиридоновым Б.А., которым авторы выражают глубокую благодарность.

Глава 1. Металлические материалы для формирования внутренних соединений

В качестве материала перемычек между кристаллом и корпусом в ППИ применяют алюминий, золото и др. металлы. Применение алюминиевой проволоки позволяет использовать при монтаже микросоединений ультразвуковой метод сварки.

Известно, что проволоку микронных размеров получают методом волочения через алмазные фильтры или гидростатическим прессованием – гидроэкструзией. При сборке силовых полупроводниковых приборов (СПП) используется проволока из алюминия диаметром 0,25 мм и более.

Наиболее важными механическими свойствами привариваемой проволоки являются прочность и относительное удлинение. Следует отметить, что эти свойства могут изменяться в довольно широких пределах для каждой партии и даже для отдельных катушек одной партии проволоки. Для стабилизации свойств проволоки микронных размеров ее подвергают отжигу перед монтажом. Целью отжига является снижение механической прочности и повышение пластичности проволоки.

Механические свойства проволоки влияют не только на прочность микросоединений, но и на надежность контактов и ППИ в целом. Прочность алюминиевой проволоки влияет на целостность оксида SiO₂ под сварным контактом полупроводникового кристалла. Известно, что после ультразвуковой сварки изменяется сопротивление между проволочным выводом и подложкой, т. е. через пленку SiO₂. В приборах, в которых используется проволока с высокой прочностью на разрыв сопротивление утечки значительно выше, чем при сварке приборов отожженной проволокой.

Неиспользованная проволока с течением времени может менять свои свойства. Это обусловлено релаксацией напряжений от холодной обработки, образующейся при волочении проволоки. Ослабление напряжений обычно вызывает удлинение проволоки, но если релаксация металла неоднородна, длина проволоки может уменьшаться. Чтобы свести к минимуму изменение свойств долго не использованной проволоки, обычно рекомендуется хранить её при комнатной температуре не более 6 месяцев.

Релаксация напряжений в проволоке может изменять прочность сварного соединения. Наибольшую деградацию испытывает проволока, подвергнутая холодной обработке, отожженная проволока изменяется в меньшей степени.

При решении вопроса о надежности микросоединений в ППИ, наряду с отработкой режимов монтажа, следует учитывать и такой фактор, как подготовка соединяемых элементов к сварке или пайке. Наличие органических загрязнений на поверхности проволоки и пленки действует как барьер, препятствующий осуществлению взаимодиффузии между проволокой и пленкой при сварке. Исследования с применением метода Оже-спектроскопии термокомпрессионных соединений показали, что причины появления «пурпурной чумы» самым тесным образом связаны с загрязнениями поверхности, к которой присоединяется проволока.

На поверхности алюминиевой проволоки всегда присутствует слой оксида. Методом Оже-спектроскопии исследована поверхность алюминиевой проволоки и установлено, что слой гидрата окиси алюминия толщиной около 1нм не препятствует образованию качественного соединения с контактными площадками ППИ. Однако при толщине оксидов на поверхности проволоки 100 нм и более получить качественное сварное соединение не удается.

Проволока, подлежащая сварке должна быть гладкой и чистой. При УЗС поверхностные пленки и загрязнения интенсивно вытесняются из зоны сварки, но не полностью. Поэтому проволоку необходимо очищать от смазки, отпечатков пальцев, водяных капель, монооксида кремния и других включений, загрязняющих контактные площадки кристалла и корпуса при сборке, тем самым, ослабляя сварное соединение. Кроме того, нарушается свободная подача проволоки через отверстие микросварочного инструмента.

К сожалению, вопросам влияния очистки проволоки и пленочной металлизации перед операцией присоединения выводов на надежность микросоединений уделяется недостаточное внимание. Обычно в полупроводниковой промышленности используется способ «мокрой» химической очистки, заключающийся в частичном стравливании металлической поверхности или растворении загрязнений. Оксиды металлов удаляются химическим травлением, а органические загрязнения перед термокомпрессионной сваркой рекомендуется удалять ультрафиолетовым облучением. Травление золотых проволоки и пленки перед сваркой в растворе (H₂O:HF:HNO₃) c концентрацией (10:1:1) приводит к увеличению прочности соединений проволока – пленка. Кроме того, данный раствор не изменяет геометрических размеров проволоки и морфологии ее поверхности.

Таким образом, при сборке ППИ силовой электроники конструктор и технолог должны уделять серьезное внимание подготовке проволоки к сварке.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: