по дисциплине " Технологические процессы микроэлектроники " на тему: Технологические процессы герметизации имс (стр. 9 из 22)

Полуавтоматическая установка конденсаторной сварки УКС-4100 позволяет осуществлять герметизацию круглых корпусов в защитной атмосфере гелия (расход 10 л/мин). Загрузку деталей выполняют вручную, остальные операции - автоматически. Диапазон усилия сжатия электродов 50—350 кГ. Производительность установки 500 шт/ч.

Методом конденсаторной сварки герметизируют также металлостеклянные корпуса квадратной и прямоугольной формы.

При аргонно-дуговой сварке, которая является одним из видов электродуговой, аргон, обтекающий электрод и зону соединения, предохраняет расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха. Неплавящийся вольфрамовый электрод служит для возбуждения и поддержания горения дуги. При герметизации этим способом (рис. 3) кромки крышки и основания корпуса микросхемы под воздействием теплоты электрической дуги оплавляются с образованием сварочной ванны. Охлаждаясь, металл в месте сварки кристаллизуется, и образуется сварочный шов. Основное преимущество аргонно-дуговой сварки — возможность местного (локального) нагрева деталей, а недостаток — повышенные требования к точности их совмещения и изготовления оснастки. Аргонно-дуговой сваркой герметизируют металлостеклянные корпуса со штыревыми выводами, когда периметр соединения больше 50 мкм, а суммарная толщина фланцев 0,2-0,6 мм.

Рис 3. Взаимное расположение электрода и корпуса ИМС при аргонно-дуговой сварке

1-электрод, 2-сопло, 3,5-теплоотводы крышки и основания, корпус микросхемы, 6-плита

При микроплазменной сварке, которая является разновидностью аргонно-дуговой, локализация и стабилизация плазменного луча достигается с помощью сопла 2 с диаметром выходного отверстия менее 1 мм. Так как возбуждение дугового разряда между электродом 1 и свариваемым изделием (фланцы корпуса 7 микросхемы) через узкое сопло невозможно, вначале возбуждают вспомогательную дугу; между электродом 1 и соплом 2,включенным через токоограничительный резистор. Образующаяся при этом низкотемпературная плазма (10 000 К) возбуждает новую дугу между электродом и изделием. При одинаковых полярностях потенциалов изделия и сопла и электрода вспомогательный разряд шунтируется и гаснет. Установка микроплазменной сварки МПУ4 может работать; как в непрерывном, так и импульсном режимах постоянного тока. Ток основной дуги составляет 1,5-30 А, ток вспомогательной - до 6 А. Плазмообразующим и защитным газом чаще всего служит аргон.

При корпусной герметизации применяют также пайку припоями и стеклом.

Рис 4. Микроплазменная горелка.

1-элетрод, 2-сопло, 3,5-плазмообразующий и защитный газы, 4-корпус плазмотрона, 6-теплоотвод, 7-фланцы корпуса ИМС.

Термокомпрессионная сварка представляет собой сварку давлением с подогревом. Необходимое давление прикладывают к инструменту (рис. 5), а рабочая температура обеспечивается нагревом либо инструмента, либо рабочего стола с изделием, либо того и другого одновременно. Рабочая температура поддерживается постоянной в течение всего времени работы установки.

Пластические, деформации, возникающие в зоне контакта соединяемых деталей, способствуют вытеснению адсорбированных газов и загрязнений. В результате обнажения чистых поверхностей становится возможным электронное взаимодействие соединяемых материалов (образование межатомных связей). Получению прочного соединения способствует также ограниченная взаимная диффузия материалов и образование твердого раствора в тонкой приграничной области.

Во избежание разрушения соединения вследствие остаточных напряжений материал проволоки должен быть пластичным. С этой целью проволоку предварительно подвергают рекристаллизационному отжигу.

Наилучшей свариваемостью обладают пары Ag - Аu и Аu - Сu, так как им присуща высокая взаимная диффузия. При сварке Аи и А1 взаимная диффузия приводит к образованию интерметаллических соединений, некоторые из которых обладают хрупкостью или рыхлостью. Удовлетворительной сварки не удается достичь на кремниевых подложках вследствие каталитического влияния кремния.

Термокомпрессионную сварку выполняют при невысоких удельных давлениях и температурах. Поэтому для получения больших пластических деформаций диаметр вывода не должен превышать 100 -130 мкм. Важным условием выполнения качественного соединения является тщательная подготовка поверхности соединяемых деталей (травление, обезжиривание), а также защита их от окисления в процессе сварки (применение защитной среды азота, аргона, и т.д.).

Тип термокомпрессионного соединения (форма и размеры деформируемого участка вывода) зависит от размеров и конструкции инструмента. Возможны два основных типа соединения: внахлестку и встык.

Рис. 5. Образование проволочных перемычек при

термокомпрессионной сварке капиллярным инструментом:

1 - совмещение проволоки и инструмента с контактной площадкой; 2 - сварка первой точки; 3 - совмещение проволоки и инструмента с контактной площадкой; 4 - сварка второй точки; 5 - обрезка проволоки.

На рис. 5. показана последовательность образования проволочной перемычки между контактной площадкой и внешним выводом корпуса при использовании капиллярного инструмента для соединения внахлестку (рис 5 а) и встык (рис. 5 б). Во втором случае обрезка проволоки (электричкой дугой или газовой горелкой) сопровождается образованием шарика.

Соединения внахлестку (рис. 5а) реализуют, например, на установке ЭМ-407. Рабочий стол (он же нагреватель) имеет перемещение в горизонтальной плоскости в пределах 15x15 мм. Перед сваркой обе контактные площадки выставляют параллельно линии перекрестия окуляра микроскопа. Точность совмещения инструмента с контактной площадкой ± 3 мкм. Температура нагрева рабочей зоны до 400 ± 5°С. Величина давления 20 -180 г., во время выдержки при сварке 1 -10 с. Подъем инструмента после окончания выдержки - автоматический. При втором подъеме инструмента производится обрыв проволоки.

На установке ЭМ-405 соединения выполняют методом свалки встык (рис. 5б). После сварки вывод отрезают ножницами. Оплавление шарика (диаметр 0,1-0,12) на конце проволоки, выходящей из инструмента, производится электрической дугой. Специальный механизм обеспечивает автоматическое подтягивание проволоки с шариком к торцу инструмента при его опускании. Первую сварную точку выполняют встык, вторую - внахлестку. Длина проволочной перемычки (регулируемая) в пределах 3-8 мм.

—

Рис. 6. Схема термокомпрессионной сварки с подогревом инструмента: 1 - рабочий стол, 2 - подложка с тонкой пленкой, 3 - инструмент с нагревателем, 4 - проволочный проводник.

Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИП) отличается от компрессионной сварки тем, что разогрев рабочей зоны осуществляется только в момент сварки импульсом тока, проходящего непосредственно через инструмент. Благодаря этому имеется возможность получить более высокий локальный нагрев проводника и, следовательно, сваривать малопластичные материалы. СКИН обладает более широкими технологическими возможностями и позволяет получать качественные соединения золотых, алюминиевых и медных проводников (диаметром до 100 мкм) с плёнками многих материалов.

Для выполнения СКИН инструмент должен иметь V-образную форму; причем максимальная температура должна быть на рабочем торце. Для нагрева инструмента может быть использован импульс постоянного или переменного тока. Для смягчения термоудара на пленочную контактную площадку целесообразен сопутствующий подогрев изделия (т. е. рабочего стола).

В отличие от термокомпрессии процесс взаимной диффузии при СКИН играет более существенную роль в образовании соединения. При выполнении СКИН в начале прикладывается давление. Затем через инструмент подается импульс тока длительностью от 0,01 до нескольких секунд. Под действием температуры торца инструмента происходит локальный разогрев проволоки, уменьшение предела пластичности, осадка проволоки и соединение. При соединении, например, алюминиевой проволоки с алюминиевой, золотой и медной пленкой температура в зоне сварки должна составлять соответственно 400, 490 и 560°С.

Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом является разновидностью контактной точечной электросварки, приспособленной к особенностям соединений в микросхемах. Малые площади соединений и малая толщина пленок требуют локализации нагрева при одностороннем расположении электродов. Инструмент (рис.8) представляет собой два электрода с шириной рабочей части (торца) каждого электрода 0,1 мм, разделенных изолирующей прослойкой толщиной порядка 0,05 мм.

Рис. 7. Схема сварки давлением с косвенным импульсным нагревом

Рис. 8. Схема сварки сдвоенным электродом

В процессе сварки проволочный проводник на участке под инструментом является составной частью электрической цепи. Разогрев проводника осуществляется за счет выделения тепла в месте контактов проволока - электроды. В зависимости от условий сварки (длительности, мощности и скважности импульсов и времени выдержки под током) могут иметь место следующие механизмы соединения: