Сборка и монтаж микросхем

При производстве радиоэлектронной аппаратуры на базе мик­роэлектроники к выполнению соединений микроэлементов внут­ри микросхем, а также к монтажу микросхем в узлы и блоки предъявляются специфические требования.

Методы монтажа, пайки и сварки, используемые при производ­стве микросхем, отличаются от методов, используемых при произ­водстве функциональных узлов и микромодулей. Это обусловлено тем, что большинство полупроводниковых материалов и диэлектри­ческих подложек из керамики и стекла обладают низкой теплопро­водностью, узкой зоной пластичности и малой сопротивляемостью к воздействию термических и механических напряжений.

Полупроводниковые интегральные микросхемы в отличие от тонкопленочных имеют на порядок более высокую разрешающую способность рисунка, позволяющую увеличить плотность разме­щения микроэлементов (т. е. повысить степень интеграции). По срав­нению с толстопленочными интегральными микросхемами сте­пень интеграции повышается больше чем в сто раз.

Внутренний монтаж любых микросхем включает в себя техно­логические операции по установке и закреплению одной или не­скольких микросхем в корпусе и выполнению внутримикросхем-ных соединений. Для сборки и монтажа микросхем применяют различные установки. Так, для сборки кристаллов полупроводни­ковых интегральных микросхем размером от 0,6 х 0,6 до 1,8 х 1,8 мм используется установка ЭМ-438А, а для монтажа нескольких кри­сталлов в один корпус — установка ЭМ-445. Крепление кристалла микросхемы осуществляется методом пайки или приклейкой.

Внутримикросхемные соединения между напыленными на кри­сталлы контактными площадками микросхемы и выводами ее корпуса выполняют с помощью проволочных перемычек, в каче­стве которых используются медные, алюминиевые и золотые мик­ропровода толщиной от 8 до 60 мкм.

В зависимости от сочетания применяемых материалов и конст­рукции выводов при сборке микросхем для соединения использу­ется микросварка (термокомпрессионная, ультразвуковая, кон­тактная, электронно-лучевая, лазерная) или микропайка.

Наиболее широкое применение получили термокомпрессион­ная и ультразвуковая микросварка и микропайка.

Термокомпрессионная микросварка заключается в одновремен­ном воздействии на свариваемые металлы давления и повышен­ной температуры. Соединяемые металлы разогреваются до опре­деленной температуры (начала рекристаллизации), при которой начинается сцепление (диффузия) очищенных от окислов по­верхностей металлов при приложении даже небольшой нагрузки. Этот способ позволяет присоединять электрические выводы тол­щиной не более нескольких десятков микрон к контактным пло­щадкам кристаллов, размеры которых не превышают 20...50 мкм. В процессе соединения микропровод из алюминия или золота прикладывают к кристаллу полупроводника и прижимают на­гретым стержнем.

Основными параметрами, определяющими режим термокомп­рессионной микросварки, являются удельное давление, темпера­тура нагрева и время сварки.

При термокомпрессионной микросварке необходим тщатель­ный контроль этих параметров.

Область применения термокомпрессионной микросварки очень широка. Она является основным методом присоединения выводов к полупроводниковым кристаллам, используется также для при­соединения проволочных микропроводников к напыленным кон­тактным площадкам микросхем, для монтажа БИС и микросбо­рок. С помощью термокомпрессионной микросварки осуществля­ется групповая сварка микросхем с планарными выводами, а так­же прецизионная микросварка элементов с минимальной толщи­ной проводников (до 5 мкм).

Ультразвуковая микросварка позволяет получить надежное со­единение металлов с окисными поверхностями кристаллов при минимальном тепловом воздействии на структуру чувствительных к нагреву элементов микросхем. Этот вид микросварки применя­ется для соединения металлов, имеющих различные электро- и теплопроводность, а также для соединения металлов с керамикой и стеклом.

Отечественной промышленностью выпускаются ультразвуковые установки для присоединения микропровода или микроленты (ди­аметром до 60 мкм) из алюминия и золота к кристаллам полупро­водниковых микросхем, для осуществления внутрикорпусного мон­тажа микросхем, а также для сборки БИС и микросборок.

Оборудование для монтажа полупроводниковых приборов и микросхем методом ультразвуковой микросварки состоит из уль­тразвуковой сварочной установки, принцип действия которой ос­нован на возбуждении преобразователем механических колебаний ультразвуковой частоты в месте свариваемых деталей, и устрой­ства для фиксации микросхемы.

В качестве преобразователей электрической энергии в механи­ческие колебания используются магнитострикционные и пьезоэ­лектрические устройства.

При ультразвуковой сварке неразъемное соединение металлов образуется в результате совместного воздействия на детали меха­нических колебаний с частотой 15...60 кГц, относительно неболь­ших сдавливающих усилий и теплового эффекта, сопровождаю­щего сварку. В результате в сварной зоне появляется небольшая пластическая деформация, которая обеспечивает надежное соеди­нение деталей.

В последние годы для монтажа микросхем широко применяет­ся комбинированный способ, основанный на термокомпрессии с косвенным импульсным нагревом и наложением ультразвуковых колебаний.

Микропайка может осуществляться мягкими и твердыми при­поями. Основными достоинствами микропайки являются ее отно­сительная простота и возможность соединения деталей сложной конфигурации, что трудно выполнить при микросварке.

К мягким припоям относятся сплавы олова и свинца, индия и галлия, олова и висмута, обладающие низкой температурой плав­ления (обычно 140...210 °С). Эти припои наиболее часто приме­няются при пайке в интегральных микросхемах.

При микропайке микросхем мягкими припоями соединяемые металлы должны быть металлургически и химически совместимыми, не должны образовывать сплавов с большим сопротивлением и ин­терметаллических хрупких соединений в месте контакта; припои дол­жны быть инертными при рабочей температуре схемы и полностью удаляться с места соединения и с окружающей его поверхности.

К твердым (высокотемпературным) припоям относятся сплавы на основе серебра ПСр45 и ПСр50, имеющие температуру плав­ления до 450... 600 °С. Эти припои используются для герметизации корпусов микросхем, для соединения серебряных или посереб­ренных деталей (так как припои на основе олова — свинца ра­створяют значительное количество серебра, изменяя характерис­тики контакта) и др.

В настоящее время разработаны высокотехнологичные спосо­бы микропайки. Одним из таких способов является микропайка в атмосфере горячего (до 400 °С) инертного газа или водорода, при которой предварительно облуженный участок обдувается из ми­ниатюрных сопл горячей струей газа. Этот способ обеспечивает высокую производительность, кроме того, позволяет исключить применение флюса.

Процесс пайки упрощается при использовании дозированного припоя в виде таблеток или пасты, который предварительно на­носится на места соединений. Этот способ обеспечивает точ­ный контроль количества тепла в месте сварки, а при использова­нии средств автоматики позволяет регулировать время протека­ния тока и его величину.

Для механизированной микропайки характерны шаговые пе­ремещения паяльного инструмента, обычно осуществляемые по программе, и прижим инструментом паянного соединения во вре­мя пайки. Автоматизация процессов пайки при соединении ин­тегральных микросхем с монтажной платой наряду с повышени­ем производительности труда обеспечивает повышение качества соединений.