Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 99 из 102)

Для повышения качества и надежности микросварных соединений применяют различные методы активации: электрическим током и ИК-излучением. Импульс электрического тока пропускают через оба соединяемых элемента в направлении, обеспечивающем электроперенос диффузионно-подвижного металла в соединении (рис. 6.24, а). Поскольку в соединении Al—Ni алюминий обладает большим коэффициентом диффузии, чем никель, электрический ток через соединение стимулирует диффузионное взаимодействие в процессе микросварки, что приводит к образованию интерметаллидов Al₃Ni, имеющих повышенную прочность, и вызывает увеличение надежности микросварного соединения.

1 генератор УЗ-колебаний; 2 преобразователь; 3 волновод; 4 инструмент; 5 проволока; 6 контактная площадка; 7 устройство токовой активации; 8 блок питания; 9 блок управления; 10 блок ИК-

активации

Рис. 6.24. Схемы УЗ-микросварки с токовой активацией (а) и ИК-активацией

(б)

ИК-подогрев соединяемых элементов при УЗ-микросварке снижает до минимума эффект проскальзывания проволочного вывода, увеличивает его пластичность, степень деформации и фактическую площадь контакта вывода с контактной площадкой (рис. 6.24, б). Кроме того, тепловая активация соединения до температур, не превышающих температуру рекристаллизации металлов, участвующих в соединении, ускоряет диффузионные процессы в зоне контакта, что в итоге способствует увеличению прочности микросварных соединений и повышению надежности изделий.

Термозвуковая сварка (ТЗС) находит все возрастающее применение при сборке изделий микроэлектроники. В ТЗС соединения формируются в результате совместного действия температуры, энергии ультразвуковых колебаний сварочного инструмента и усилия нагружения инструмента. Данный способ сварки как бы объединяет отдельные качества термокомпрессионной и УЗ-сварки, обеспечивает высокое качество соединения при существенном смягчении режимов сварки, прежде всего температуры. ТЗС используется в первую очередь при автоматизированной сборке приборов, критичных к температурам свыше

200—250 С. Применим этот способ сварки и для сборки толстопленочных ГИС. Качественные, устойчивые к повышенным температурам (150 С) и термоциклированию (100 циклов; –55...+150 С) соединения золотой проволоки с медными печатными проводниками получаются ТЗС при температуре подложки 105—200 С. Практически ТЗС начинают широко применять и для сборки ИМС и БИС массовых серий с целью смягчения режимов и снижения критичности сварочного процесса к колебаниям качества соединяемых материалов.

Из всех видов сварки, применяемых в производстве изделий микроэлектроники, ТЗС является наиболее сложной в реализации, но отличается большой гибкостью в выборе режимов, а поэтому весьма перспективна для автоматизированной сборки. Использование при ТЗС ультразвуковой энергии наряду со снижением температуры обусловило ряд преимуществ: увеличение скорости, относительная легкость установления приемлемых режимов, улучшение свариваемости более широкой номенклатуры материалов соединяемых поверхностей. Важным достоинством ТЗС по сравнению с УЗС является меньшая критичность к жесткости конструктивных элементов корпуса.

Термокомпрессионной сваркой (ТКС) называют микросварку давлением в твердой фазе элементов, нагреваемых от постороннего источника теплоты, с локальной пластической деформацией в зоне сварки. Различают термокомпрессионную микросварку с общим, импульсным, косвенным и комбинированным нагревом.

Основными параметрами режима термокомпрессии являются: усилие сжатия соединяемых элементов F, температура нагрева инструмента Т, длительность выдержки под давлением t.

Выбор усилия сжатия F определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника, которая для золотой проволоки составляет 50—70 %, алюминиевой — 60—80 %. Температура нагрева не должна превышать температуру образования эвтектики соединяемых материалов и находится в пределах 250—450 С. Длительность выдержки выбирается в зависимости от сочетаний свариваемых материалов в диапазоне 1—10 для достижения максимальной прочности соединения.

Для сварки применяют золотую проволоку диаметром 30 мкм, которую обезжиривают в спирте и отжигают в течение 5 мин при температуре 600 С. ТКС проводится внахлест (клином) (рис. 6.25, а) или встык, с образованием шарика (рис. 6.25, б). Шарик из золотой проволоки образуется в пламени водородной горелки или электрическим разрядом. Диаметр шарика составляет 1,5—2 диаметра проволоки. Правильная форма шарика и отсутствие оксидов на его поверхности улучшают качество соединений.

1 – проволока; 2 – инструмент; 3 – подложка

Рис. 6.25. Схемы термокомпрессионной сварки:

Для ТКС рекомендуются рубиновые капилляры, имеющие более высокие износостойкость рабочих поверхностей, коррозионную стойкость и чистоту поверхности. Обозначение капилляра: КТ51-25-150-2-30 (КТ — капилляр для термокомпрессионной сварки, 25 — диаметр проволоки, 150 — диаметр D, 30 — размер R). Наибольшая прочность соединений достигается при использовании инструмента сложной формы: с ребром жесткости или типа "рыбий глаз" (рис.

6.26).

Рис. 6.26. Типы термокомпрессионных соединений

После сварки в процессе электротренировки возможно появление интерметаллидов Au_xAl_y: пурпурного AuAl₂, затем рыжего, а через некоторое время фазы черного цвета, имеющих низкую прочность и высокое электрическое сопротивление. Скорость процесса разрушения соединения возрастает при повышении температуры. Расчеты показывают, что при температуре 100 С падение прочности вдвое произойдет через 10 сут., а следующее падение прочности вдвое — через 7 лет.

Повышения качества ТКС добиваются подачей в зону сварки осушенного защитного газа (аргона, азота, формиргаза) и снижением температуры. Для ТКС используется современное автоматическое оборудование (табл. 6.9).

Табл. 6.9- Характеристика установок термокомпрессионной сварки

Параметры	ЭМ-490	ЭМ-4030	ЭМ-4060	Hitachi (Япония)
Диаметр вывода, мкм	20—60	20—60	20—60	20—60
Способ соединения	Встык, внахлестку	Внахлестку	Встык, внахлестку	Встык
Температура нагрева, С	250—400	250—450	250—450	До 450
Контактное усилие, Н	0,4—3	0,4—3	0,4—3	0,3—2,5
Время сварки, с	0,05—0,3	0,4—3,6	0,04—0,3	0,05—4,0
Производительность , сварок/ч	12 500	300	10 000	18 000

Преимущества ТКС заключаются в следующем: возможность сварки прецизионных элементов с минимальной толщиной до 5 мкм, некритичность к небольшим изменениям ( 10 %) параметров режима сварки, возможность групповой технологии контактирования. К недостаткам следует отнести: небольшое число хорошо свариваемых материалов, ограничение толщин свариваемых элементов до 0,13 мм, сильную зависимость качества соединений от состояния свариваемых поверхностей, необходимость подогрева деталей до 350— 400 С, увеличенное значение переходного сопротивления контактов, возможность образования интерметаллидов, ухудшающих качество и надежность соединения.

Сварка расщепленным (сдвоенным) электродом применяется в технологии электрического монтажа, в частности при получении контактных соединений планарных выводов ИМС и ЭРЭ с контактными площадками плат, плоских ленточных проводов с выводами печатных разъемов и др. Метод пригоден для сварки таких материалов, как медь, серебро, золото, алюминий, никель толщиной 0,03—0,5 мм. Подготовка свариваемых поверхностей заключается в предварительном отжиге материалов для снятия внутренних напряжений и увеличения пластичности, обезжиривании поверхностей химическими растворами. Сварка выполняется электродом, изготовленным из вольфрама или молибдена в виде двух токопроводящих частей, разделенных зазором h = 0,02— 0,25 мм, либо с помощью диэлектрической прокладки (рис. 6.27.).