СУЩНОСТЬ ТЕРМОКОМРЕССИИ

Специальные методы сварки в микроэлектронике.

Сварка в микроэлектронике.

Основные способы сварки электронных схем.

Метод соединения микросхем должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Прочность соединения должна быть близка к прочности соединяемых элементов микросхем;

2. Соединение должно быть с минимальным омическим сопротивлением;

3. Основные параметры процесса (температура нагрева, удельное давление, длительность выдержки) должны быть минимальными, чтобы не повредить элементы схемы;

4. Обеспечивать соединение материалов разнообразных сочетаний и типоразмеров;

5. После соединения не должно оставаться материалов, вызывающих коррозию;

6. Качество соединений должно контролироваться простыми и надежными методами.

Из общеизвестных способов сварки при производстве микроэлектронных схем используют:

1. Контактную точечную (конденсаторную);

2. Ультразвуковую;

3. Холодную;

4. Диффузионную;

5. Электронно-лучевую;

6. Лазерную;

7. Аргонодуговую;

8. Микроплазменную.

Специально для целей монтажа микросхем разработано несколько оригинальных способов микросварки давлением:

1. Термокомпрессия;

2. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН).

Термокомпрессионная сварка

Термокомпрессия - способ соединения металлов с металлами и неметаллами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давлениях.

1. Один из соединяемых материалов (обычно вывод) при термокомпрессии должен обладать достаточно высокой пластичностью. Температура при термокомпрессии обычно ровна температуре отпуска или отжига более пластичного материала.

2. Термокомпрессией можно соединять мягкие (пластичные) высокоэлектропроводные материалы в виде круглых и плоских проводников с полупроводниковыми материалами и электропроводными тонкими пленками, напыленными на диэлектрические подложки.

Термокомпрессия - один из наиболее распространенных методов монтажа полупроводников и интегральных схем в разнообразных корпусах гибкими проволочными проводниками.

СУЩНОСТЬ ТЕРМОКОМРЕССИИ

можно объяснить следующим образом:

1. Идеальных поверхностей не существует;

2. На реальных поверхностях имеется множество микровыступов и микровпадин.

3. Если приложить давление к выводу, изготовленному из пластичного материала, и нагревать, например, полупроводниковый кристалл, произойдет пластическая деформация микровыступов электродного вывода, а также частичная деформация микровыступов полупроводника, взаимное затекание соединяемых материалов в микровпадины, т.е. термокомпрессионная сварка.

При термокомпрессионной сварке образуется прочная адгезия между полупроводниковым кристаллом и электродным выводом и создается надежный электрический контакт.

Следует отметить, что чем более пластичный материал электронных выводов, тем большим коэффициентом адгезии он обладает. Золото и алюминий по сравнению с другими материалами, используемыми для электродных выводов (медь, серебро), имеют наибольшие коэффициенты адгезии, равные соответственно 1,84 и 1,80.

В производстве полупроводниковых приборов термокомпрессией соединяют наиболее часто следующие пары материалов:

· золото - кремний;

· золото - германий;

· золото - алюминий;

· золото - золото;

· алюминий - алюминий;

· золото - серебро и т.д.

а - соединение в виде плоской сварной точки (термокомпрессия клином);

б - соединение встык с образованием шарика (шарик получают прикосновением проводника к электрическому разряднику или в пламени водородной горелки);

в - соединение с ребром жесткости (термокомпрессия инструментом с канавкой);

г - соединение типа рыбий глаз (термокомпрессия инструментом с выступом).

Рис. 1 Основные типы термокомпрессионных соединений

Основными параметрами режима термокомпрессии с использованием статистического нагрева являются:

· усилие сжатия (давления) (p);

· температура нагрева соединения или инструмента (T);

· длительность выдержки под давлением (t).

1. Выбор давления определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника и допустимым механическим воздействием на полупроводник.

2. Усилие сжатия выбирают в зависимости от пластичности проводника, сочетания свариваемых материалов, диаметра проволоки и торца инструмента.

При сварке алюминиевого проводника p=4¸8 кгс/мм² = 40¸80 МПа

при сварке золотого проводника p=10¸14 кгс/мм² = 100¸140 МПа

3. Длительность выдержки устанавливается в зависимости от сочетания свариваемых материалов, определяется экспериментально в зависимости от прочности соединения и составляет от 0,1 до 10 с.

Таблица 1.

Ориентировочные режимы термокомпрессии некоторых сочетаний материалов

Достоинства термокомпрессионной сварки - возможность без применения флюса и припоев соединять металлы в твердом состоянии при сравнительно низкой температуре и малой их деформации (10¸30%) на воздухе, высокая технологичность способа.

Недостатки - ограничение пар свариваемых материалов, высокие требования к качеству поверхности соединяемых металлов и сравнительно низкая производительность труда (сварка под микроскопом).

В различных установках термокомпрессии могут нагреваться:

I – столик;

II – инструмент;

III - инструмент и столик одновременно.

1 – инструмент; 2 – электродная проволока; 3 – подложка (корпус);

4 – кристалл; 5 – столик; 6 – нагреватель.

Рис. 2. Схемы нагрева в термокомпрессионных установках.