Контроль адгезии в микросварных соединениях

При микросварке выводов к пленкам соединение материалов происходит на активных центрах поверхности твердого тела, которыми являются микровыступы и дефекты кристаллической решетки. Поэтому соединение образуется в тонком поверхностном слое за счет хемосорбционной связи, которая является частным случаем адгезии материалов.

Для контроля качества адгезии материалов в микросварном соединении проводников с плоскими площадками разработан способ, заключающийся в приложении разрушающего механического усилия отрыва путем натяжения за проводник с последующим анализом характера разрушения под микроскопом. При разрушающем испытании микросварных соединений проволоки с контактной площадкой на кристалле или корпусе ППИ возможны различные виды разрушений, наиболее характерными из которых являются: отслоение деформированного участка проволоки от контактной площадки; вырыв части пленки вместе с деформированной проволокой; частичный отрыв деформированной проволоки от поверхности контактной площадки; обрыв по утоньшению в месте максимальной деформации проволоки; обрыв по проволоке. При разрушениях с отслаиванием проволоки на поверхности пленок алюминия видны характерные линии сдвига, а на поверхности золотого покрытия – зоны объемного взаимодействия проволоки с пленкой.

В данном разделе рассматривается адгезия проволочного вывода с контактной площадкой ППИ после образования сварного соединения.

Известен способ контроля адгезии материалов в микросварном соединении, заключающийся в том, что к сварному соединению прикладывают калиброванную механическую нагрузку отрыва путем натяжения за проводник и регистрируют изменение падения электрического напряжения на сварном соединении. Полученные данные сравнивают с результатами эталонных образцов. К основному недостатку данного способа относится высокая трудоемкость при определении адгезии, так как требуется последовательное закрепление каждого микропровода в зажиме перед натяжением. Ввиду микронных размеров выводов эксперименты проводятся с использованием микроскопа и прецизионной системы манипулирования.

Повысить точность контроля адгезии в микросварных соединениях с одновременным снижением трудоемкости процесса возможно, используя известные способы. Например, нагрузку прикладывают путем обволакивания сварного соединения материалом, адгезия которого к последнему соизмерима с адгезией материалов в сварном соединении, и ТКЛР α находится в пределах 3α₁ < α < 10α₁, где α₁ – меньший из ТКЛР материалов сварного соединения. Обработанные таким образом сварные соединения подвергают термообработке при температуре выше 223 К, но не превышающей температуру выгорания обволакивающего материала. Лучше всего обволакивание проводить материалом на эпоксидной основе. Адгезию материалов в микросварном соединении определяют путем регистрации падения электрического напряжения на контролируемом соединении по сравнению с эталонным образцом.

Следует отметить, что данный способ может быть использован только для сравнительной оценки адгезии материалов в микросварных соединениях, полученных на разных сварочных установках или при различных режимах сварки. Это объясняется тем, что при нанесении обволакивающего материала изменяется конструкция изделия и, кроме того, обволакивающие материалы изменяют свои свойства при длительной работе приборов.

Известно, что в реальном микросварном соединении отношение площади зоны адгезии (соединения) материалов к площади зоны деформации присоединяемого проводника составляет не более 0,6 и адгезия материалов происходит по вершинам деформированных микронеровностей, т. е. более 40 % площади деформированной части проводника составляют поры и пятна – «непровары» (места контакта элементов сварного соединения, в которых они не имеют адгезии).

В процессе изготовления микроэлектронных устройств и их работы (хранения) происходит конденсация влаги на элементах сварного соединения, а за счет капиллярного эффекта адсорбированная влага попадает в поры микросварного соединения. Так как при сварке происходит разрушение оксидных пленок на соединяемых поверхностях и затруднен доступ кислорода в объем сварного соединения, то на поверхности микропор образуется тонкая и неплотная оксидная пленка. Поэтому попадание атмосферной влаги в микропоры приводит к коррозии микросварных соединений, особенно в случае контактирования материалов, имеющих большую разность электрохимических потенциалов.

Для обеспечения высокой надежности микроэлектронных устройств целесообразно проведение 100 %-ного контроля микросварных соединений по площади и прочности соединения (адгезии) материалов в сварном соединении. Причем необходим оперативный метод контроля, не разрушающий микросварных соединений и не изменяющий конструкции микроэлектронных устройств (недопустимо введение в конструкцию покрытия органических материалов, так как они склонны к старению при температурных обработках).

Контроль контактов в процессе изготовления микроэлектронных устройств при одновременном повышении надежности микросварных соединений можно проводить, применяя способ, при котором поры контролируемого соединения заполняют деионизованной водой, удельное сопротивление которой не ниже 3 МОм·см, затем охлаждают образец до замерзания последней, а после замера образец нагревают до 353-363 К и выдерживают до полного удаления рабочего материала из пор микросварного соединения. Дополнительным отличием способа является охлаждение при температуре 259-262 К, контрольный замер после нагрева до 269-272 К, а также выдержка при температуре 353-363 К в течение 30-60 мин. При замерзании воды, находящейся в порах микросварного соединения, происходит изменение объема вещества, что создает механическое напряжение отрыва, разъединяющее непроваренные части элементов сварного соединения. Удельное сопротивление воды выше 3 МОм·см позволяет вносить минимальную погрешность, легко учитываемую при замерах падения напряжения, а контактирование сварного соединения с такой средой не вызывает электрохимического разрушения последнего.

Выдержка при температуре 353-363 К в течение 30-60 мин позволяет получить надежную оксидную пленку на поверхности микропор и полностью удалить из них деионизованную воду. Время выдержки зависит от размеров микросварного соединения. Охлаждением до 262 К и последующим нагревом до 272 К создают механическое напряжение отрыва за счет разницы в ТКЛР материалов сварного соединения и льда.

Нанесение воды осуществляют методом пульверизации или дозатором, причем объем наносимой пленки рассчитывают, исходя из условия получения на поверхности слоя толщиной 0,5-1,2 от толщины деформированной части проводника. За счет капиллярного эффекта вода заполняет поры микросварного соединения, а для лучшего проникновения в микропоры проводят, например, опрессовку при давлении (1,5-3)·10⁵ Па воздуха или азота. Для этой цели могут быть также использованы метод наложения ультразвуковых колебаний и другие известные методы заполнения микрокапилляров.

Выбранные интервалы температуры обусловлены высокой точностью поддержания температуры в проходных камерах печи без значительного усложнения конструкции и увеличения времени замера напряжения в контактах.

При необходимости увеличения механических напряжений в непроваренных частях сварного соединения используют изменение температуры перед замером или в процессе него до 269-272 К, в этом случае несколько увеличивается время замера. Информация о результатах замеров выводится на экран дисплея. Полученные изменения падения напряжения сравниваются со значениями, полученными на эталонных образцах, на основании чего прибор считается годным или бракуется. При замерах учитывается погрешность, вносимая проводимостью деионизованной воды. По результатам замеров может оцениваться как площадь, так и прочность адгезии материалов в сварном соединении. После замеров образцы помещают в термокамеру с системой вытяжки и подачи осушенного нагретого кислорода. Температура нагрева составляет 353-363 К, а время выдержки 30-35 мин. Время термообработки подбирается опытным путем, исходя из условия полного удаления паров воды из пор микросварных соединений. Например, для соединений алюминиевых проводников диаметром 30-40 мкм оно составляет не менее 20 мин. В процессе испарения влаги с поверхности и, особенно, из пор микросварного соединения происходит увеличение толщины оксидной пленки алюминия до 0,3-0,5 мкм, которая надежно защищает поверхность микропор от электрохимического разрушения в процессе эксплуатации из-за попадания атмосферной влаги. Выдержка при более низких температурах значительно уменьшает рост толщины оксидной пленки, а нагрев до более высокой температуры значительно увеличивает испарение (из-за кипения в капиллярах), что также не позволяет получить максимальную толщину оксидной пленки, то есть температура нагрева выбирается опытным путем, исходя из условия получения максимальной толщины оксидной пленки в микропорах сварного соединения.

Преимущество способа перед известными заключается в том, что он позволяет проводить 100 %-ный оперативный контроль адгезии в микросварных соединениях ППИ при одновременном повышении коррозионной стойкости микросварных соединений.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: