Лабораторная работа №8


Лабораторная работа № 8
ТЕХНОЛОГИЯ МОНТАЖА КРИСТАЛЛОВ
Цель работы: ознакомиться с основными методами монтажа кристаллов в корпуса и на платы
1. Краткие теоретические сведения
Монтаж кристаллов в корпуса или на платы должен обеспечивать прочное механическое соединение, надежный электрический контакт, хороший теплоотвод. Выбор способа монтажа зависит от конструкции, назначения и условий эксплуатации полупроводниковых приборов и ИМС. При монтаже кристаллов используют четыре метода их присоединения: стеклом, пластмассой, низкотемпературную пайку (мягкими припоями) и эвтектическую пайку.
Достоинствами присоединения кристаллов стеклом являются низкая стоимость, хорошее согласование по ТКЛР с соединяемыми материалами, а также возможность выполнения в многовыводных корпусах одновременно с пластмассовой герметизацией монтажа кристаллов и выводов. Однако при этом не обеспечиваются надежный электрический контакт кристаллов с корпусами и хороший теплоотвод. Кроме того, стекло имеет сравнительно высокую температуру размягчения (около 500°С), что может вызывать перегрев кристаллов полупроводниковых приборов и ИМС.
По сравнению со стеклом пластмасса более широко применяется для монтажа кристаллов, так как обеспечивает достаточную прочность и надежность соединения, имеет низкую температуру отверждения, что исключает ухудшение параметров приборов и ИМС вследствие перегрева. В то же время пластмасса обладает низкой теплопроводностью и при использовании ее невозможна замена дефектных кристаллов. В отдельных случаях вследствие перегрева пластмассы затруднено присоединение электродных выводов термокомпрессией, поэтому используют ультразвуковую сварку. В герметично закрытых корпусах возможно выделение из пластмассы газов.
Монтаж кристаллов низкотемпературной пайкой имеет ограниченное применение из-за сравнительно невысокой температуры плавления мягких припоев. Так как эвтектический припой золото (80%)–олово (20%) плавится при 280°С, а эвтектический припой олово (68%)–свинец (37%) - при 183°С. С их использованием монтаж кристаллов может выполняться только для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС, работающих при максимальной температуре до 80°С.
Достоинством метода низкотемпературной сварки является легкость демонтажа кристаллов, для чего нагревают корпус до температуры плавления припоя и снимают кристалл с контактной площадки.
Низкотемпературный припой обычно используют в виде таблеток (дисков), а в производстве толстопленочных гибридных ИМС его наносят на контактные площадки трафаретной печатью.
Эвтектические припои золото–кремний и золото–германий, имеющие температуру плавления соответственно 370°С и 356°С, получили наибольшее распространение при монтаже кристаллов в корпуса или на держатели. Пайка этими припоями, называемая эвтектической, подразделяется на контактно-реактивную и эвтектическими сплавами.
1.1. Контактно-реактивная пайка
Контактно-реактивной или контактно-реакционной называют пайку, при которой между соединяемыми материалами в результате контактного плавления образуется эвтектический сплав, заполняющий зазор и кристаллизующийся с образованием паяного соединения.
Такую пайку применяют для присоединения полупроводниковых кристаллов к золоченым контактным площадкам корпусов. При этом образуются эвтектические сплавы золото–германий или золото–кремний. Скорость контактного плавления полупроводника и золота зависит от температуры и прикладываемого усилия. Изменяя температуру, можно управлять контактным плавлением: уменьшая ее, останавливать процесс пайки в нужный момент, а, увеличивая, - возобновлять его.
В установках контактно-реактивной пайки столик, на котором подогреваются корпуса, обычно нагревают до температуры (410±10)°С. Оптимальным считается усилие, равное 0,50,7 Па, прикладываемое к инструменту. Увеличение усилия приводит к образованию сколов и трещин в кристаллах.
Условно контактно-реактивную пайку можно разделить на две стадии. На первой стадии происходит взаимное растворение в очень тонком контактном слое соединяемых металлов в твердом состоянии, что способствует увеличению энергии кристаллической решетки (энергии необходимой для ее разрушения) и расплавлению твердого раствора. На второй стадии интенсифицируется диффузия, в результате чего атомы из расплава одного компонента переходят в твердую фазу другого, переводя в жидкое состояние все новые слои контактирующих металлов.
Контактно-реактивная пайка существенно изменяет структуру и свойства материалов в месте их соединения. Так, в эвтектическом сплаве золото–кремний под действием нагрева может произойти его ликвидация (расслоение), что снижает прочность, теплопередачу и электропроводность паяного соединения.
Для устранения этого явления и активации соединяемых поверхностей, заключающейся в разрушении оксидных пленок, контактно-реактивную пайку выполняют с ультразвуковым воздействием (амплитуда 0,05–0,08 мм) на кристалл. В результате кристалл получает возвратно-поступательное движение к горизонтальной плоскости и как бы притирается к контактной площадке корпуса, происходит контактное плавление кремния и золота, жидкий сплав перемешивается, и процесс соединения ускоряется. Жидкая фаза способствует диспергированию (измельчению) оксидных пленок и их удалению из зоны контакта.
Контактно-реактивной пайкой получают надежные соединения кристаллов с золочеными контактными площадками, при толщине покрытия не менее 6 мкм в оптимальном режиме. При нарушениях режима пайки в кристаллах появляются трещины и сколы. Золочение контактных площадок кристаллов уменьшает, но полностью не исключает образование на них сколов.
При контактно-реактивной пайке (рис. 1 а,б) полупроводниковый кристалл 2 подается на золоченую контактную площадку корпуса 3 и удерживается в течение времени пайки (обычно 5-7 с) вакуумным пинцетом 1 (инструментом). Для создания физического контакта соединяемых поверхностей (освобождения от оксидных пленок и наиболее плотного контакта деталей) через вакуумный пинцет кристаллу передают ультразвуковые колебания, и пинцет начинает колебаться в горизонтальной плоскости, притираясь к золотому покрытию контактной площадки корпуса. Одновременно к вакуумному пинцету прикладывают усилие, которое также передается кристаллу, прижимая его к корпусу. Пайку выполняют в среде инертного газа, подогревая корпус нагревателем 4.

Рис. 1 а) захват кристалла; б) присоединение кристалла к корпусу;
1 – вакуумный пинцет (инструмент), 2 – кристаллы, 3 – контактная площадка корпуса, 4 – нагреватель
1.2. Пайка эвтектическими сплавами
В отличие от контактно-реактивной пайки эвтектический сплав образуется не в результате контактного плавления соединяемых материалов, а сплав вводится в качестве припоя между соединяемыми поверхностями кристалла и корпуса.
Пайкой эвтектическими сплавами присоединяют полупроводниковые кристаллы к корпусам. Золочение контактирующих поверхностей каких-либо ощутимых результатов не дает. В качестве эвтектических используют сплавы золото–германий или золото–кремний, диаграммы состояния которых показаны на рис. 2 а,б. Подготовленные к пайке детали нагревают в нейтральной атмосфере (осушенном и очищенном азоте) до температуры, несколько превышающей температуру плавления эвтектического сплава. Эвтектические сплавы золото–германии и золото–кремний содержат (по массе): первый 12% германия и 88% золота, а второй - 6% кремния и 94% золота. Температура плавления эвтектик золото–германий и золото–кремний, соответственно равная 356 и 370°С, ниже температуры плавления каждого из этих материалов. Эвтектические сплавы являются смесью, а не химическим соединением.

Рис. 2. Диаграммы состояния сплавов: а) золото–германий; б) золото–кремний
По сравнению с контактно-реактивной пайкой, пайка эвтектическими сплавами обладает рядом достоинств: эвтектические сплавы имеют невысокую температуру плавления, хорошие жидкотекучесть и способность смачивания, а также незначительное время нагрева до температуры пайки, в паяном соединении не создаются большие остаточные напряжения, образующиеся вследствие разницы ТКЛР соединяемых материалов. Введение эвтектического сплава между соединяемыми поверхностями способствует сглаживанию шероховатостей и неровностей.
Нерастёкшийся припой свидетельствует о плохой смачиваемости им золоченой поверхности корпуса и кристалла или о недостаточно высокой температуре пайки. Это является одной из причин низкой прочности паяного соединения. Появление трещин и сколов на кристаллах связано с большим усилием, прикладываемым к рабочему инструменту, или слишком резким подъемом температуры пайки по сравнению с оптимальной.
Пайка кристаллов к контактным площадкам корпусов эвтектическим сплавом состоит из следующих операций: захвата прокладки 1 из эвтектического сплава, ее переноса и укладки на место пайки (рис. 3,а,б); захвата кристалла 6, переноса и присоединения его к корпусу 3 (рис. 3,в,г). Захват, перенос и удержание прокладок и кристаллов выполняются специальным инструментом - вакуумным пинцетом 2. При этом усилие захвата и удержания прокладки (кристалла) создается вследствие перепада давлений.
1.3. Приклеивание и пайка стеклом
Монтаж кристаллов приклеиванием обычно применяют при изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС общего назначения, так как метод довольно прост, экономичен, не требует сложного технологического оборудования и позволяет получать соединения из различных материалов, обладающие заданными характеристиками.


Рис.3. Пайка кристалла к контактной площадке корпуса эвтектическим сплавом:
а,б–захват и укладка прокладки; в,г – захват и укладка кристалла на прокладку и их пайка; 1–прокладки, 2–инструмент (вакуумный пинцет), 3–корпус, 4–нагреватель, 5–устройство прижима корпуса к нагревателю, 6–кристаллы

В качестве клеев широко используют эпоксидные смолы, которые обеспечивают достаточную механическую прочность и надежность соединений и имеют низкую температуру отверждения, что исключает ухудшение параметров полупроводниковых приборов ИМС вследствие перегрева кристаллов.
В зависимости от свойств пластмассы подразделяют
·на: диэлектрические, теплопроводящие и оптические. Пластмассы без наполнителей являются диэлектриками. Если добавить в пластмассу серебряный порошок в количестве 60–80% по массе, она становится электропроводной и одновременно значительно возрастает ее теплопроводность, так как серебро является отличным проводником электрического тока и теплоты.
При монтаже кристаллов клей наносят либо на их обратную сторону, либо на корпус автоматически небольшими каплями или штемпелем. Иногда применяют таблетки из пластмассы.
Применяется несколько марок клеев, используемых при монтаже кристаллов в корпуса. Так, клеи УП-5-201 и УП-5-201Э созданы на основе эпоксидной смолы, модифицированы циклоалифатическими соединениями и соответственно являются токопроводящими и изолирующими. Клей ЭЧЭ-С изготовляется из эпоксидной смолы с серебряным наполнителем и является токопроводящим. Клей У11-5-207М аналогичен но составу клею УП-5-201 Э и предназначен для соединения позолоченных контактных площадок корпусов и кристаллов.
Монтаж кристаллов пайкой стеклом применяют при массовом производстве маломощных однокристальных полупроводниковых приборов, в которых не требуется электрических контактов между нижней поверхностью кристалла и корпусом. Стекло в виде пасты обычно наносят методом трафаретной печати или напылением на место монтажа в корпуса, нагревом размягчают стекло и укладывают кристалл, охлаждая затем корпус до комнатной температуры.
Корпус ИМС, в котором монтаж кристалла, присоединение выводов и герметизация выполнены стеклом, показан на рис. 4.4. а. При этом трафаретной печатью или напылением на контактные площадки керамического основания 5 корпуса под выводы и кристалл, а также крышку 1 наносят стеклянный припой 2, который оплавляют в печи, не допуская кристаллизации. Затем на нагретое до 450°С керамическое основание 5 монтируют кристалл 6 и присоединяют выводы 4, вдавливая их в размягченное стекло. После этого герметизируют корпус, соединяя крышку с основанием, сжимая их и прогревая при температуре около 500°С в течение 5 мин. При повторном нагреве происходит кристаллизация стеклянного припоя, что повышает прочность спая.

Рис. 4.4. Корпуса ИМС, в которых пайкой стеклом выполняются: монтаж кристалла, присоединение выводов и герметизация (а), изоляция проводящих слоев и герметизация (б), изоляция токоведущих дорожек токоведущих дорожек и герметизация (в); 1 - крышка, 2 - стеклянный припой, 3 - рамка, 4 - вывод, 5 - основание, 6 - кристалл, 7 - слой металлизации
В корпусе ИМС, показанном на рис.4.4. б, стеклянный припой 2-последовательно наносят трафаретной печатью на слои металлизации 7 для изоляции их друг от друга. Герметизируют такие корпуса, соединяя стеклянным припоем 2 керамическое основание 5 корпуса с керамической крышкой 1.
В корпусе ИМС, показанном на рис.4.4. в, два слоя стеклянного припоя 2 служат для изоляции токоведущих дорожек. Герметизируют такие корпуса так же, как показанные на рис.4.4. б.
1.4. Сборка на ленте - носителе.
Прогрессивным направлением в производстве полупроводниковых приборов и ИМС является их сборка на гибкой ленте-носителе. Широкое освоение такой технологии сборки способствует значительному снижению стоимости приборов и ИМС, так как резко повышается уровень механизации и автоматизации и уменьшаются затраты на материалы. Лентой-носителем служит тонкая (толщиной 0,05-0.15 мм) полиимидная или полиэфирная одно-, двух- или трехслойная пленка шириной от 8 до 70 мм.
Полиимидные пленки обладают высокой термостойкостью (возможен их кратковременный нагрев до 400 С), а также стабильными физическими и химическими свойствами при воздействии кислот. Кроме того, их можно подвергать селективной химической обработке и использовать в качестве подложек для вакуумного напыления металлических пленок.
Полиэфирные пленки на основе полиэтилентерефталата являются перспективным материалом, так как в 10 раз дешевле полиимидных и более устойчивы к воздействию влаги и высокой температуры.
Наибольшее распространение получили двух- и трехслойные ленты-носители, технологический процесс изготовления которых состоит из нанесения на поверхность пленки адгезионного слоя (фенола, эпоксида или полиимида) толщиной 10-250 мкм и его сушки. После резки пленки на заготовки требуемой ширины, пробивки краевой перфорации и отверстий под кристаллы на нее наклеивают медную фольгу толщиной 35 мкм. В медной фольге фотолитографией получают паучковые выводы (шириной 60-100 мкм) и последовательно осаждают на них слои олова и золота. В результате получают ленту-носитель с большим количеством паучковых выводов, к внутренним концам которых присоединяют кристаллы (платы), а наружные, отрезаемые от ленты-носителя, монтируют на выводные рамки, печатные платы или в многовыводные корпуса.
Для присоединения термокомпрессией, пайкой или ультразвуковой сваркой к паучковым выводам ленты-носителя кристаллов на них создают металлические; выступы (столбики) высотой около 125 мкм. Это предохраняет контактные площадки кристаллов от разрушения. Выступы должны выполняться из металлов, не диффундирующих в полупроводниковый кристалл (хрома, меди, титана, вольфрама, никеля или золота). Так, при изготовлении выступов на алюминиевую пленку контактных площадок кристаллов последовательным напылением наносят слои хрома, меди и золота, а затем гальванически осаждают еще один слой золота толщиной 12-25 мкм. Производительность автоматической сборки полупроводниковых приборов и ИМС на ленте-носителе составляет 1000-2500 шт/ч. Лента-носитель с собранными приборами может быть свернута в рулон или нарезана в виде отрезков заданной длины. Герметизируют такие приборы обычно заливкой пластмассой.
Последовательность сборки полупроводниковых приборов и ИМС на гибкой полиимидной ленте-носителе показана рис.4.5 а, б.
Вначале на автоматической установке (рис.4.5 а) присоединяют выступы 5 кристаллов 6 к внутренним (электродным) паучковым выводам 2 гибкого носителя 4. Предварительно кристаллы, размещенные на определенном расстоянии друг от друга, приклеивают воском 7 к подложке 9, которую закрепляют на ленте-носителе 8. Каждый кристалл поочередно автоматически устанавливается под термод (головку для пайки или сварки) 1, который опускается до соприкосновения с паучковыми выводами 2. При прохождении импульса тока происходит нагрев и пайка одновременно всех выводов с выступами 5 кристалла.

Рис. 4.5. Последовательность сборки полупроводниковых приборов на гибкой ленте-носителе: а - присоединение кристалла к паучковым выводам, б - вырубка паучковых выводов собранных приборов и приварка их к выводам рамки;
I - термод; 2 - паучковые выводы, 3 - фольга, 4 - носитель,
5 - выступы на кристалле, 6 - кристалл, 7 - воск, 8 - лента-носитель, 9 - подложка, 10 - лента с выводными рамками,
I1 - матрица, 12 - пуансон.
Собранные таким образом полупроводниковые приборы и ИМС можно загерметизировать пластмассой или непосредственно монтировать в аппаратуру, вырубая их из носителя 4 и приваривая внешние выводы к печатным платам.
2. Автомат присоединения кристаллов ЭМ-4085
2.1. Автомат присоединения кристаллов ЭМ-4085 предназначен для присоединения кристаллов ИС, БИС, массовых серий к корпусам п/п приборов методами посадки на клей и эвтектической пайкой с наложением колебаний при совместной работе с полуавтоматом резки п/п пластин ЭМ-225.
22. Кристаллы поступают на автоматы в виде полупротодниковых пластин 125 мм на адгезионном носителе.
При работе на автомате должны выполняться следующие требования:
Зазор между кристаллами должен быть не менее 50 мкм.
Процент выхода годных кристаллов на пластине не ниже 73 %.
Не допускается наличие "двойников" кристаллов.
Маркировочный знак на забракованных кристаллах, не должен затрагивать край кристалла.
След от зондов не должен затрагивать край контактных площадок.
2.3. Основные технические и технологические характеристики установки:
температура нагрева рабочей зоны - 250-500 С;
производительность - 2500-3500 шт/ч;
удельная материалоемкость - Куд,м. = 0,23-0,24 кг/ч;
удельный расход энергии - Кул, = 0,80 Вт-ч;
усилие сжатия соединяемых элементов - 0,4-3,0 Н;
устройство и работа составных частей автомата.
2.4. Состав установки монтажа кристаллов ЭМ-4085.
2.4.1. Устройство подачи корпуса прибора либо выводной рамки.
2.4.2. Устройство позиционирования разрезанной пластины на липком носителе и пяльцах.
Механизм присоединения кристалла.
Механизм переноса.
Устройство съема кристалла.
Устройство ориентации кристалла.
Устройство дозирующее.
Система управления.
Система технического зрения при автоматической разбраковке и определении положения кристаллов.
2.4.10. Оптические устройства и визирная система, позволяющие оператору выполнять операции совмещения кристалла с инструментом.
2.4.11. Система подогрева корпуса прибора и инструмента.
5. Контрольные вопросы
Как монтируют кристаллы в корпуса и на платы?
Какие требования предъявляются к монтажу кристаллов?
Какие клеи применяются для монтажа кристаллов?

Каковы устройства и принцип действия установки для монтажа кристаллов?
Как осуществляется контактно-реактивная пайка?
5.6. Прояснить механизм образования паяного соединения по диаграмме состояний.
Методика монтажа кристаллов пайкой эвтектическими сплавами.
Как осуществляется монтаж кристаллов пайкой стеклом?
Изложить методику монтажа кристаллов приклеиванием.
5.10. Как осуществляется сборка полупроводниковых приборов на гиб кой ленте-носителе?
6. Литература
Бер А.Ю., Минскер Ф.Ю. Сборка полупроводниковых приборов и ИМС. - М.: Высшая школа, 1986.
Парфенов О.Д. Технология микросхем. - М.: Высшая школа, 1986.
Технология СБИС. Кн.2. Пер. с англ./ Под ред. С.Зи. - М.: Мир, 1986.










13PAGE 15


13PAGE 14115




15

Приложенные файлы

  • doc 10809635
    Размер файла: 156 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий