7. Системное проектирование блока микромонтажных операций       

7.1. Основы маршрутной технологии микромонтажных операций     

Роль микромонтажных операций в производстве ИЭТ. Требования к микромонтажным операциям в технологии ИМС. Разновидности базовых конструктивно-технологических решений микромонтажа кристаллов: посадка на «эвтектику», клей, легкоплавкий припой; две разновидности подсоединения выводов, варианты подсоединения проволочных выводов. Основные характеристики процессов. Виды корпусов. Сборочное оборудование.

Микромонтажные соединения прежде всего должны обеспечивать надежную электрическую связь траверсов корпуса с контактными площадками кристалла БИС.

Среди различных методов проволочный микромонтаж остается в условиях серийного производства одним из основных, т.к. он удобен, прост, универсален, а стоимость оборудования относительно невелика.

Стоимость присоединения проволочных выводов составляет значительную часть общей стоимости, поэтому потребность в автоматизации этого процесса весьма велика и продолжает расти с увеличением степени интеграции БИС из-за увеличения количества контактных площадок кристалла и внешних выводов корпуса БИС.

Среди основных методов подсоединения проволочных выводов, таких как: термокомпрессионная сварка (ТКС), термозвуковая сварка (ТЗС), ультразвуковая сварка (УЗС), электроконтактная односторонняя сварка расщепленным электродом (ЭКОС), сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН). В НПО "Интеграл" в настоящее время не используются лишь сварка по методам ЭКОС и СКИН. Наиболее широкое распространение получили методы ТКС и ТЗС с использованием золотой проволоки и УЗС с использованием алюминиевой проволоки[149, 151,159].

Основные характеристики указанных методов, применяемых в серийном производстве БИС с использованием разработок в рамках диссертации, приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 – Характеристики методов подсоединения проволочных выводов при микромонтаже кристаллов БИС

При выборе конкретных методов подсоединения проволочных выводов применительно к типоконструкциям БИС и режимов микромонтажных операций на стадии освоения производства учитывались результаты исследований, описанные в гл. 5, а также такие критерии качества и эксплуатационной надежности микромонтажных проволочных соединений как уровень механических  напряжений или  размеры  области  напряженно-деформированного  состояния (НДС) контактного узла сварное соединение - кристалл БИС, ввиду того, что из-за разности КТЛР герметизирующих  компаундов,  металлов  проводников и пленок, диэлектрических слоев, кремниевой подложки, эвтектики (клеевых компаундов)  и основания корпуса (выводной рамки) БИС сформированные структуры в кремнии и контактный узел постоянно находятся  в напряженном состоянии. Это приводит к прогибу кремниевой подложки, нарушению структурного совершенства кристалла, сужению рабочего температурного диапазона и выходу из строя при многократном термоциклировании, а также ограничивает возможности создания быстродействующих БИС.

Сравнительный анализ качества микросварных соединений показал,  что наибольший вклад в развитие дефектов контактного узла в виде локальных полей упругих напряжений вносит метод ТЗС золотой проволоки с ограниченным нагревом кристалла (200^оС), при этом ширина поля напряжений по глубине 25 мкм составляет _~200 мкм. При ТЗÑ инструмент в холодном  состоянии в момент касания с подложкой отводит тепло и снижает температуру в зоне сварки на 40-50^оС. В условиях серийного производства это обстоятельство вынуждает технологов увеличивать при ТЗС или давление на инструмент, или температуру нагрева кристалла, или мощность УЗ-генератора. Однако повышение температуры стола ограничивается, например, свойствами клея. Увеличение же амплитуды колебаний инструмента и давления на инструмент приводит к росту остаточных механических напряжений в областях кристалла, прилегающих к контактным площадкам.

В связи с этим в условиях цеха потребовалось ввести подогрев инструмента до 200^оС, что обеспечило образование соединений при меньшей энерги активации процесса соединения. Так же, установлено, что нагрев кристаллов БИС, посаженных на клей, в диапазоне температур 200-250^оС приводит при использовании данной модификации метода к резкому снижению уровня остаточных напряжений. При этом формирование сварных соединений при ТКС и ТЗС с подогревом инструмента происходит в условиях, когда кристаллы БИС находятся в практически ненагруженном состоянии. Поэтому ширина поля упругих напряжений в кремнии в первом случае уменьшается до 150 мкм, а во втором - до 100 мкм.

Перед УЗС алюминиевой проволоки кристаллы БИС хотя и находятся в ненагретом, наиболее напряженном состоянии, однако процесс сварки в условиях трения окисленных алюминиевых поверхностей, разрушения и выноса пленок и загрязнений  контактных поверхностей облегчается настолько, что поле упругих напряжений в кремнии на глубине 25 мкм составляет 70-90 мкм.

Таким образом, используемые в производстве разработанные методы микросварки золотой проволокой по их воздействию на образование полей упругих напряжений в кристалле можно расположить в следующем порядке (по убыванию):

ТЗС с  подогревом  стола , ТКС, ТЗС с подогревом стола и инструмента, УЗС.

Микромонтажные соединения алюминиевой проволоки с кристаллами БИС, формируемые методом УЗС, обладают наименьшим полем упругих напряжений.

  Отмеченные особенности микромонтажных соединений, полученных различными методами, иллюстрируются рис. 6.21, 6.22

  На практике перед технологами  при освоении техпроцесса ТКС и адаптации его к имеющемуся оборудованию стоят такие задачи как: определить оптимальную схему подвода тепла в зону сварки, необходимую геометрию сварочного инструмента; установить и поддерживать из смены в смену минимально допустимые и оптимальные режимы по температуре, скорости пластической деформации и длительности процессов, обеспечивающих заданное качество микромонтажных соединений.

  В НПО "Интеграл" ТКС выполняется микропроволокой диаметром 25 и 30 мкм (серии К155,  КР1533, К561 и др.), для микросхем, изготавливаемых в пластмассовых (DIP и  SO) корпусах.

  Практикой подтверждено, что наиболее эффективным при ТКС является одновременный нагрев прибора (подложки) и инструмента. Он позволяет исключить теплоотвод в инструмент и обеспечить строгое поддержание температуры в зоне сварки. Данное требование реализовано в установках нового поколения семейства ЭМ-4160 разработки и производства концерна точного машиностроения "Планар", г.Минск.

  Для обычных при сборке БИС  диаметров проводников в пределах 25-50 мкм параметры техпроцесса УЗ-сварки варьируются из следующих  основных составляющих:

– частота сварочных импульсов 60-72 кГц выходная мощность УЗ частоты 0,063-6,3 Вт;

– усилие сжатия присоединяемых элементов 0,1-1,2Нвремя присоединения 0,01-0,2с.

 Данные требования реализованы  в  установках  семейства  4020А (4020Б), 4080П разработки и производства ГНП КТМ "Планар", г.Минск.

 При этом УЗС рекомендуется проводить таким образом, что первую сварку выполняют на кристалле, т.к. это улучшает условия формирования петли после первой сварки и предупреждает замыкание с краем кристалла.

При этом возрастают требования к вылету проволоки из-под инструмента, который не должен превышать 1-1,5 диаметра проволоки. Кроме того, при микромонтаже в корпус с углублением трудно обеспечить первую сварку на кристалле, а вторую - на выводе с помощью стандартного инструмента с углом подачи проволоки 30^о. Для преодоления этой трудности в ряде случаев в серийном производстве в настоящее время используют обратный метод формирования перемычки: сварка выполняется с вывода корпуса на кристалл. При этом для исключения вероятности замыкания корпуса на край кристалла используется инструмент и сварочная система с углом подачи проволоки 60^о.

Термозвуковая сварка, как наиболее перспективный способ сварки при микромонтаже изделий микроэлектроники, ТЗС используется в серийном производстве в первую очередь при автоматизированной сборке БИС,  критичных к температурам свыше 200-250^оС. К таким, в условиях производства НПО "Интеграл", относятся БИС и БИС телевизионной тематики (ILA8362ANS,  ILA8395N, ILA1519B, ILA1519B, ILA3654Q,ILA8138A, ILA4661N и др.), заказные БИС (ILA84C641NS-068, INA84C640ANS-070 и др.), микросхемы телефонии (серии ЭКР/ЭКФ1436, КР/ЭКР 1008), спецназначения (ЭА133, ЭА1533) и др. Применим этот  способ сварки и для сборки толстопленочных ГИС и печатных плат (рис. 6.23, 6.24).

Хотя из всех видов сварки, применяемых в производстве изделий микроэлектроники, ТЗС является более сложной в реализации, она отличается наибольшей гибкостью в выборе режимов,  а поэтому весьма перспективна для автоматизированной сборки. Использование при ТЗС УЗ энергии наряду со снижением температуры обусловило ряд преимуществ, таких, как увеличение скорости, относительная легкость установления приемлемых режимов, улучшение свариваемости более широкой номенклатуры материалов соединяемых поверхностей.

Используемый в серийном производстве материал  проводников для ТЗС на НПО "Интеграл" - золотая проволока  диаметром  25-50 мкм.  Обрабатываемые  корпуса  - пластмассовые: DIP с числом выводов 8-52,  SOP с числом выводов 8-28, SIL с числом выводов 5-17, ТО-220 с числом выводов 3-7, QFP с числом выводов 44-100 и др. Наиболее полно требования к ТЗС реализованы в  установках  семейства 4060П (перспективные модели 4160) разработки и производства концерна "Планар", г.Минск.

7.2. Особенности сборки БИС на выводной рамке                              

Эволюция покрытий на выводной рамке и материалов корпусов БИС. Основные маршруты сборки БИС на выводной рамке. Особенности микромонтажа изделий силовой электроники. Контроль качества.    

Эволюция применяемых материалов и их покрытий для базовых конструкций выводных рамок пластмассовых корпусов БИС, базирующаяся на внедрении разработанных методов нанесения тонких пленок и микромонтажа представлена в таблице 7.2.

Таблица 7.2 - Эволюция применяемых материалов для базовых конструкций выводных рамок

Пластмассовые корпуса - самые дешевые и технологически освоенные. В силу своих конструктивных особенностей пластмассовые корпуса предполагают использование для межсоединений золотой проволоки и высокотеплопроводных материалов для корпусирования мощных БИС.

     Металлокерамические (МКК) и металлостеклокерамические (МСК) корпуса используются для сборки изделий специального назначения. Определяющим признаком при выборе корпусов для конкретных типоконструкций БИС служит вид материала и покрытие центральной части их основания и материала для изоляции выводов, что отображено в таблице 7.3.

Таблица 7.3 –Характеристика применяемых корпусов БИС

Для посадки кристаллов методом клеевой композиции толщина пленки золота в зоне разварки должна быть не менее 1,5-2 мкм, при каталитическом золочении - 0,1 мкм. Для корпусов с покрытием из Ni, Ni-In, Ni-B покрытие золотом отсутствует. Для посадки кристаллов методом эвтектической пайки в зоне посадки создается пленка золота толщиной не менее 3 мкм.

Эволюция применяемых материалов покрытий для базовых конструкций МСК и МКК приведена в таблице 7.4.

Таблица 7.4 – Характеристики покрытий корпусов БИС