Методи приєднання виводів (стр. 3 из 4)
Для успішного отримання низкоомных контактів до напівпровідникової підкладки необхідно, щоб:
1) область контакту напівпровідника мала низький питомий опір (менше 1 ом·см);
2) напівпровідник нагрівався до температури приблизно на 20° З менше температури евтектики сплавів дроту і напівпровідника;
3) до контакту додавався тиск 10 кг/мм2.
Бажано, щоб місце зварки було захищене атмосферою інертного газу для попередження окислення або забруднення.
Нізкоомниє контактні майданчики на кремнієвій підкладці можуть бути отримані або за допомогою неглибокої дифузії (для отримання високої концентрації домішок на поверхні), або за допомогою мікросплаву з поверхнею тонких алюмінієвих і золотих плівок.
Можна використовувати обидва методи одночасно. Матеріали мають бути вибрані з таким розрахунком, щоб усунути отримання випрямляючого контакту, для чого корисно застосовувати золото, леговане домішками n, - або р-типу.
При виборі матеріалу зволікання і контактного майданчика слід брати до уваги небезпеку появи «пурпурної чуми», що виникає при зварці золота з алюмінієм. Пурпурна чума є пористими интерметаллические з'єднаннями типа Аuхаlу, збагаченими або алюмінієм (AuAly), або золотом (Au2Al) і що виникають при безпосередньому контакті алюмінію і золота. Вона видно зовні у вигляді облямівки довкола контактної зони і утворюється в результаті дифузії золота, яка протікає повільно при кімнатній температурі і швидко, коли метали нагріті. Збагачене алюмінієм міцне з'єднання АuAl2 яскраво пурпурного кольору, по фізичних властивостях нагадує метал з хорошою електропровідністю, утворюється тільки у відсутності кремнію у складі підкладки. З'єднання AuAl і збагачені золотом з'єднання Au2Al Au4Al сріблястий-блакитного і жовтого кольору, пористі і крихкі, з поганою електропровідністю, швидко утворюються в каталітичній присутності кремнію. За участю кремнію виходять майже чорні пористі з'єднання AuxAlySiz. [1]
Зазвичай вся поверхня кремнієвої підкладки мікросхеми покрита шаром окислу кремнію. Проте в тих випадках, коли окисний шар нанесений недоброякісно, біля контактних майданчиків може бути присутнім вільний кремній. Крім того, оскільки Аl2O3 стабільніший окисел, ніж SiO2 (теплота утворення Аl2O3 значно вища, ніж SiO2), алюміній відновлює окисел кремнію, вивільняючи кремній, який взаємодіє із золотом і алюмінієм.
Швидкість утворення цих інтерметалічних з'єднань збільшується з температурою по експоненціальному закону.
Утворення інтерметалічного з'єднання між золотим дротом і алюмінієвим контактним майданчиком викликає появу в цій зоні механічної напруги і мікротріщин.
Поверхня розділу металів служить тим шляхом, по якому відбувається міграція золота від країв интерметаллического зварного контакту в сусідні ділянки алюмінієвої плівки. Серія фотографій, зроблених через певні інтервали часу, показує, як золото проникає в алюмінієві смужки. Під час міграції золота його кількість довкола контактної зони поступово зменшується, внаслідок чого кінець виводу по всьому периметру контактного шва відключається від провідної смужки, а через деякий час зовсім відділяється від мікросхеми.
Якщо вивід електрично відключився від провідної смужки, але ще не відокремився від підкладки, дефект дуже важко виявити. Інколи досить подати на таке напівзруйноване з'єднання імпульс напруги, наприклад, при випробуванні, щоб воно тимчасово відновилося.
Знайдені засоби запобігання масовим відмовам таких з'єднань. Якщо до приєднання дротяних провідників алюміній окислювати, інтенсивність відмов з'єднань зменшиться, оскільки шар оксиду перешкоджає міграції.
Нанесення шаруючи з третього металу на поверхню алюмінію також дає можливість запобігти міграції [3].
Таблиця 1.2. Зварність матеріалів при різних методах мікрозварки [5].
| Матеріал контактного майданчика і підкладки | Методи зварки і матеріали дротяних виводів | |||||||||||
| Термокомпресія | Зварювання тиском з непрямим імпульсним нагрівом | Контактне зварювання | Ультразвукове зварювання | |||||||||
| Аu | А1 | Сu | Аu | А1 | Сu | Аu | А1 | Сu | Аu | А1 | Сu | |
| Золота плівка з підкладкою нихрома на сталлю або склі | ++ | + | ++ | ++ | + | ++ | ++ | ++ | ++ | + | ||
| Мідна або нікелева плівка з підшаром нихрома на ситалле . | ++ | + | ++ | ++ | + | ++ | + | ++ | + | + | ||
| Алюмінієва плівка на склі | ++ | + | + | + | + | + | ++ | + | ||||
Примітка. ++ зварюються добре; + - зварюються задовільно; - не зварюються.
2. ВИГОТОВЛЕННЯ ВИВОДІВ МЕТОДОМ ПАЙКИ ТА СКЛЕЮВАННЯМ
2.1 Приєднання виводів паянням
З'єднання паянням передбачає участь третього металу в рідкому стані, який змочує метали, що сполучаються, і при твердінні утворює металевий зв'язок. Паяння може бути гаряча (розплавленими припоями) і холодна (за допомогою амальгами або галію).
Основною умовою створення паяного з'єднання є взаємодія рідкого припою з поверхнею чистих металів, що сполучаються. Змочування є неодмінною умовою утворення паяного з'єднання. Ступінь змочування і розтікання залежить від виду контактуючих металів, стану поверхні (наявність оксидів, шорсткість), а також умов паяння (температура, газова середа, тривалість паяння). Флюси, вживані при паянні, не лише розчиняють оксиди на поверхні твердого металу. Будучи поверхнево-активними речовинами, вони зменшують поверхневе натягнення припоїв, сприяють поліпшенню змочування і розтікання, передачі тепла на всю зону паяння.
При змочуванні припоєм виникає взаємодія, що приводить при твердінні до освіти зв'язку між кристалітами. Можуть спостерігатися три види цього зв'язку: розчиненням, хімічною взаємодією, утворенням металевих зв'язків. Взаємодія розчиненням слід уникати при паянні до тонких плівок, це може викликати розчинення всієї плівки в припої. З цієї точки зору для паяння переважні не золоті контактні майданчики, як в разі термокомпресіонних з'єднань, а мідні. Золота плівка завтовшки до 50 нм повністю розчиняється в припої ПСК. Зменшення небезпеки розчинення досягається попереднім введенням в припій присадки (2 – 3 %) того металу, з якого складається плівка. [5]
Хімічний зв'язок виникає з утворенням перехідного шару у вигляді хімічної сполуки припою з металом. Це спостерігається при паянні міді оловом, коли утворюються міцні інтерметалічні з'єднання Cu6Sn5 і Cu3Sn. Утворення хімічного зв'язку вимагає присутності в припої легуючих присадок, сприяючих утворенню дуже тонкого перехідного шару твердого розчину з металом.
Взаємодія через металеві зв'язки спостерігається при хорошому змочуванні. При паянні ІС цей механізм найбільш щадний по відношенню до плівки і тому переважний. Для розвитку саме цього механізму взаємодії необхідна короткочасність паяння і вузький інтервал температури.
Сплави, в яких відбувається одночасна за всім обсягом кристалізація компонентів при найнижчій для даної системи температурі, називають евтектичними (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Діаграма стану системи свинець – олово:
α – кристали твердого розчину Sn в Pb;
β – кристали твердого розчину Pb в Sn; ж – рідка фаза [3].
Евтектична крапка на фазовій діаграмі станів характерна стрибкоподібним і повним переходом з рідкої в тверду фазу при охолоджуванні суміші. Відхилення від цього складу приводять до того, що ще до твердіння припою відбувається спонтанна кристалізація одного з компонентів. Зовні це виявляється в повільному твердінні загусаючого сплаву. Якщо у цей момент паяний шов потривожити незначною механічною дією, то миттєво настає спільна кристалізація припою з виділенням крупних кристалів, погано зв'язаних між собою. Такий паяний шов не можна вважати за надійний. В разі евтектичного сплаву твердіння відбувається без спонтанної кристалізації. Евтектичний сплав ПОС - 61 має найменшу температуру плавлення, найменшу пористість, якнайкращі капілярні властивості з припоїв ПОС. [2]
Припій для паяння ІС повинен володіти нижчою температурою плавлення, чим припій ПОС - 61. Таким є, наприклад, потрійний олов'яно-свинцевий индиевий припій (37,5% Sn, 37,5 Pb, 25% In) з tпл = 135°C.
Флюси, вживані при паянні повинні задовольняти наступним вимогам:
1) розчиняти дуже тонку окисну плівку;
2) захищати від окислення під час паяння;
3) змочувати поверхні основного металу і рідкого припою і знижувати поверхневе натягнення припою (що полегшує його розтікання за площею паяного шва);
4) вирівнювати передачу тепла в зоні паяння;
5) залишок флюсу і продукти його розкладання повинні переходити на поверхню припою, як тільки припій утворює сплав з основним металом, і легко віддалятися після паяння;
6) при розкладанні флюсу не повинно утворюватися газів, руйнівних сусідні поверхні.
Найбільш поширений каніфольний флюс, вживаний у вигляді 30 %-ного спиртного розчину. При нагріванні під час паяння каніфоль розкладається, виділяючи абієтивну кислоту (С20Н30О2), яка розчиняє сліди оксидів в зоні паяння. У холодній каніфолі ця кислота нейтралізована терпентином, що входить до складу каніфолі.
Розглянемо деякі практичні зображення за технологією паяння до ІС. Перш за все мають бути прийняті заходи для забезпечення хорошої адгезії плівки контактного майданчика до підкладки. Наприклад, для контактних майданчиків часто застосовують осадження міді з підшаром хрому, ніхрому або з присадкою 4% Mn. При випарі медномарганцевого сплаву спочатку випаровується марганець, створюючи підшаровуй з хорошою адгезією до скла, поверх якого лягає шар міді.