Сборка и монтаж бескорпусных БИС на коммутационных платах

Сборка и монтаж кристаллов БИС с объемными выводами

 

Полупроводниковая пластина с кристаллами БИС, на контакт­ных площадках которых сформированы объемные выводы, разреза­ется и после удаления дефектных кристаллов поступает на операцию монтажа. Кристаллы 3 устанавливают на коммутационные платы 4 лицевой стороной вниз (рис.5). Объемные выводы 2 совмещают с контактными площадками 1 коммутационной платы, используя подвижные и неподвижные полупрозрачные зеркала или автомати­зированные системы распознавания образов.

Рис.5. Монтаж БИС с объемными выводами: 1 - контактная площадка; 2 - объемные вы­воды; 3 - кристалл; 4 - коммутационная плата

 

Способ соединения кристалла с платой зависит от материалов объемных выводов кристалла и контактных площадок коммутаци­онных плат. Кристаллы БИС с золотыми объемными выводами присоединяют к покрытым слоем золота контактным площадкам коммутационных плат термокомпрессионной сваркой. Пайку ис­пользуют в тех случаях, когда хотя бы одна из соединяемых поверх­ностей покрыта слоем припойного материала.

При монтаже на коммутационную плату кристаллы присоеди­няются к посадочным местам поочередно или одновременно. По­очередное присоединение осуществляют нагретым инструментом с вакуумным присосом. Необходимую температуру нагрева рабочей части инструмента регулируют мощностью и длительностью прохо­дящего импульса тока. Групповое (одновременное) присоединение кристаллов выполняют следующим образом: контактные площадки посадочных мест коммутационной платы обрабатывают канифоль­ным флюсом, кристаллы БИС с припойными объемными выводами размещают на посадочных местах и коммутационную плату с кри­сталлами помещают в конвейерную печь с атмосферой азота.

При необходимости замены отказавшей в процессе технологи­ческой обработки, испытаний и эксплуатации БИС кристалл уда­ляют нагреваемым инструментом с вакуумным присосом без общего нагрева коммутационной платы.

С целью предотвращения растекания припоя объемного выво­да 2 по контактной площадке 1 применяют специальные меры, на­пример, на границе контактной площадки наносят полоску 5 из ма­териала, который не смачивается припоем (рис.6).

Рис.6. Ограничение растекания припоя объемного вывода: I - контактная площадка; 2 - объемный вывод; 3 - кри­сталл; 4 - коммутационная плата; 5 - ограничительная полоска

 

Бескорпусные БИС с объемными выводами устанавливают на керамические, полиимидные и кремниевые коммутационные платы. За счет разницы температурных коэффициентов расширения (ТКР) материалов кристалла и коммутационной платы при эксплуатации аппаратуры в объемных выводах возникают значительные механи­ческие напряжения (срезающие усилия). С ростом размеров кри­сталлов эти усилия увеличиваются. Для кристаллов, площадь кото­рых превышает 15 мм² , выбор материалов коммутационных плат имеет принципиальное значение. Для обеспечения надежного со­единения объемных выводов с контактными площадками коммутационных плат усилие среза должно быть в 1,5-2 раза меньше проч­ности соединения объемный вывод - контактная площадка кристал­ла и прочности материала вывода. Установлено, что при монтаже кристаллов БИС площадью более 15 мм² на керамические коммута­ционные платы возникающие усилия приводят к разрушению объ­емных выводов. Воздействующие на объемные выводы усилия уменьшают повышением эластичности коммутационной платы или изготовлением ее из материалов с ТКР, близким к ТКР кремния.

При установке БИС на керамические и кремниевые коммута­ционные платы разновысотность объемных выводов должна нахо­диться в пределах ±(1 - 2) мкм. На многослойные полиимидные пла­ты устанавливают кристаллы БИС с большим допуском объемных выводов по разновысотности (до ±5 мкм). В этом случае повышен­ный разброс высоты объемных выводов компенсируют созданием на коммутационной плате соответствующего металлизированного припоем отверстия вместо плоской облуженной контактной пло­щадки.

 

Сборка и монтаж кристаллов БИС

на полиимидном носителе

 

Кристаллы БИС на полиимидном носителе устанавливают на коммутационные платы (без ограничений их по материалам) лице­вой стороной вверх или вниз (рис.7,а,б,в).

Последовательность операций по установке и присоединению выводов БИС на полиимидном носителе следующая:

1) обрубка технологической (измерительной) части носителя;

2) формовка балочных (ленточных) выводов;

3) установка БИС на коммутационную плату;

4) присоединение выводов носителя к контактным площадкам коммутационной платы.

При установке кристаллов БИС лицевой стороной вверх на по­верхность коммутационной платы 4 балочные выводы 2 вблизи кристалла 3 слегка отгибаются вверх, затем вниз к основанию кри­сталла и далее параллельно плоскости коммутационной платы 4 вдоль контактной площадки 1 (рис.7). Выводы такой формы не ка­саются края кристалла и обладают достаточной упругостью. Та­ким образом исключается электрическое замыкание элементов БИС и полупроводниковой подложки кристалла, а также происходит демпфирование напряжений при значительной разности ТКЛР материалов кристалла и коммутационной платы. Балочные (лен­точные) выводы, изготовленные из меди и алюминия, легко форму­ются.

Рис.7. Монтаж кристалла БИС на полиимидном носителе лицевой стороной

вверх (а, б) и вниз (в): I - контактные площадки; 2 - балочные выводы; 3 -

кристалл; 4 - коммутационная плата; 5 - клей

При установке кристаллов БИС лицевой стороной вверх в уг­лубление коммутационной платы (см. рис.7,6), а также лицевой сто­роной вниз (см. рис.7,в) занимаемая площадь уменьшается пример­но в два раза. При этом оптимальная длина балочного вывода / зависит от размеров кристалла. Для БИС, размеры кристал­лов которых превышают 5x5 мм (длина стороны L = 5 мм), мини­мальная длина балочного вывода составляет 280 мкм.

 

Микроконтактирование при сборке и монтаже БИС

 

Термин "микроконтактирование", т.е. "соединение" подразуме­вает механическое и (или) электрическое присоединение кристаллов полупроводниковых ИМС к подложкам с выводными рамками и к подложкам других типов, а также присоединение к ИМС проволоч­ных выводов для внешних (по отношению к ИМС) связей.

Рис.8. Формовка балочных выводов: 1 - контактные площадки; 2 - балоч­ные выводы; 3 - кристалл; 4 - коммутационная плата; 5 – клей

 

Рис.9. Зависимость длины балочного вывода / от размеров кристалла L

Основными способами сборки (механического присоединения) кристаллов на основания корпусов, плат, ленточных носителей яв­ляются соединения с помощью припоев, эвтектических сплавов, кле­ев. Между металлизированными поверхностями обратной стороны кристалла и основания корпуса или подложки размещают кусочек фольги припойного сплава или эвтектики толщиной около 50 мкм. Используют нагрев горячим газом, пайку импульсным нагревом. Оптимальный режим эвтектической пайки: температура 390-420 °С, время 3 - 5 с, давление 3-5 Н/мм². Способы сборки, осно­ванные на применении легкоплавких припоев и эвтектик, дают наи­лучшие показатели по прочности и вибропрочности соединений, обеспечивают хороший теплоотвод, но дороги, плохо поддаются автоматизации.

Сборку БИС на коммутационную плату обычно осуществляют приклеиванием кристаллов с помощью эпоксидных и полиимидных клеев. Наиболее эффективным является трафаретный способ нане­сения клея на посадочные места коммутационных плат.

Распространенными способами монтажа (электрического при­соединения) выводов кристаллов на контактных площадках комму­тационных плат являются различные виды микросварки или микро­пайка.

Микропайку используют для покрытых припоем балочных вы­водов. Медные балочные выводы обычно покрывают слоем сплава олово - висмут или олово - свинец в процессе изготовления полиимидного носителя. Алюминиевые балочные выводы, предна­значенные для присоединения к облуженным контактным площад­кам коммутационных плат, покрывают тонким слоем тантала и ни­келя (0,2 - 0,3 мкм), а затем облуживают горячим способом.

Облуженные медные балочные выводы присоединяют к покры­тым золотом контактным площадкам коммутационных плат им­пульсной микропайкой с образованием золото-оловянного эвтекти­ческого сплава. Коммутационную плату устанавливают на подогреваемый столик и прогревают некоторое время при темпера­туре примерно 100 °С. Одновременно все балочные выводы прижи­мают инструментом для пайки к контактным площадкам и пропус­кают импульсы тока, мощность и длительность которых таковы, что обеспечивают нагрев мест соединения до температуры пример­но 450 °С. Происходит контактное плавление и образование золото-оловянной эвтектики. После затвердевания расплава инструмент поднимают.

Такой процесс позволяет получать качественные паянные со­единения, на которые не оказывают влияния неоднородность ме­таллизации контактных площадок, разновысотность и неплоскост­ность поверхности коммутационных плат. Применение защитной газовой среды исключает необходимость использования флюсов, являющихся потенциальным источником коррозии металлизации.

В зависимости от материалов вывода и контактной площадки, а также конструктивного исполнения ИМС применяют следующие виды микросварки: импульсную, термокомпрессионную, ультразву­ковую, лазерную и другие.

Импульсную микросварку, как и микропайку, осуществляют с использованием импульсных источников питания и расщепленного или нагретого косвенным импульсным нагревом электрода 1 (рис.10). При микросварке каждый вывод 2 присоединяют к контактной площадке 3 индивидуально, а при микропайке возможно групповое присоединение.

Рис.10. Присоединение балочного вывода расщепленным (а) и нагреваемым

косвенным импульсным нагревом (б) электродом: 1-электрод; 2-вывод;

3 - контактная площадка

Наибольшее применение нашли термокомпрессионная и ультра­звуковая микросварки. При термокомпрессионной микросварке соеди­нение формируется в твердой фазе за счет сжатия и нагрева, температу­ра 250 - 370°С, давление примерно 60 - 100 Н/мм², время сварки 0,05 - 2 с. Форма и размеры сварной точки определяются площадью рабочей части инструмента. Необходимым условием образования проч­ного соединения является пластическая деформация отдельного или обоих материалов. Соединение осуществляется в результате диффузии частиц между присоединяемыми материалами.

Термокомпрессионную микросварку применяют при наличии слоя золота на контактных площадках коммутационной платы и балочных выводах. Простота процесса, небольшое количество регулируемых параметров (температура, давление), поддерживаемых с высокой точностью, выгодно отличают этот способ присоединения от других. Поскольку термокомпрессионное соединение образуется при температуре до 370°С, на медные балочные выводы наносят никелевый подслой, препятствующий образованию интерметаллидов золото-медь. В зависимости от конструкции рабочего инструмента, способа нагрева зоны соединения и подачи проволоки существует несколько разновидностей термокомпрессионной сварки: шариком, пережимом, клином. На рис.11 схематически показана термокомпрессия клином, служащая для присоединения золотых проволок, при этом кристалл нагревают до 300°С, а клин - до 150°С.

Рис. 11. Термокомпрессионная сварка клином: 1 - приспособ­ление для подачи проволоки через капилляр; 2 - проволока; 3 - контактная площадка; 4 - подогреваемый клин из кар­бида вольфрама

 

Недостатки термокомпрессии - ограниченное число пар свари­ваемых металлов, высокие требования к качеству соединяемых по­верхностей и низкая производительность (обычно сварка выполня­ется под микроскопом).

При соединении золотой проволоки с алюминиевой контакт­ной площадкой термокомпрессией в месте контакта могут образо­ваться хрупкие интерметаллические соединения. Для соединения этих материалов, а также двух алюминиевых деталей применяют ультразвуковую (УЗ) сварку (рис.12). При подключении обмотки возбуждения к УЗ генератору электрические колебания посредством магнитострикционного преобразователя трансформируются в про­дольные механические колебания, которые с помощью волновода-концентратора 4 усиливаются по амплитуде до 0,5 - 2,0 мкм и через инструмент передаются деталям. В материале соединяемых деталей возникает сложное напряженное состояние, приводящее к деформа­ции в зоне действий инструмента, где одновременно за счет трения выделяется тепло. Имеющаяся на поверхности алюминия пленка окисла при воздействии ультразвука разрушается, обнажая чистые поверхности, которые и соединяются между собой. Основные па­раметры УЗГ сварки: частота 60 - 80 кГц, давление 20 - 450 Н/мм², амплитуда колебаний 0,5 - 2 мкм. Свариваемые детали должны быть чистыми, не иметь грубых дефектов. Интенсификации процесса УЗ сварки способствует косвенный импульсный нагрев инструмента (комбинированная сварка). При этом повышается прочность соеди­нения при меньшей деформации выводов, можно соединять между собой трудносвариваемые детали. Недостатком УЗ сварки является необходимость высокой пластичности материала проводника, так как его относительная деформация в месте сварки обычно составля­ет 40 - 60 %.

Рис.12. Ультразвуковая сварка: 1 - инструмент; 2 - вывод; 3 - кон­тактная площадка; 4 - концентратор (волновод); 5 - преобразователь (вибратор); 6 - устройство крепления; 7, 8 - обмотки возбуждения и подмагничивания

 

Применение УЗ микросварки позволяет осуществлять присое­динение алюминиевых балочных выводов. Однако при использова­нии сварочного инструмента для одновременного присоединения всех,выводов БИС вследствие разнотолщинности и неплоскостности поверхности коммутационной платы наблюдается нестабиль­ность прочностных свойств микросварных соединений. Кроме того, такие соединения имеют низкую ремонтопригодность, так как при замене кристалла БИС повторная сварка осуществляется на уже ис­пользованной контактной площадке коммутационной платы, что резко снижает надежность микросварного соединения.

Находят применение сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН) рабочей зоны, который осуществляется только в момент сварки за счет импульса тока непосредственно через рабочий инст­румент (кондуктивная передача тепла от инструмента в зону сварки), и сварка сдвоенным (расщепленным) инструментом (контактная сварка, когда участок зоны сварки является непосредственно участком электрической цепи между электродами инструмента и в момент импульса разогрев наблюдается за счет действия закона Джоуля-Ленца).

 

Монтаж на гибких и жестких выводах

Различают монтаж на гибких и жестких выводах или прово­лочный и беспроволочный монтаж. Под монтажом на гибких выво­дах понимают получение электрических соединений контактных площадок, расположенных в периферийных областях кристалла, с выводами корпуса, платы или балочными (ленточными) выводами носителя с помощью гибких проволочных выводов.

Монтаж на жестких выводах - это электрическое соединение контактных площадок кристалла с выводами корпуса, платы или ленточного носителя с помощью шариковых или столбиковых вы­водов.

Проволочный монтаж является трудоемкой операцией: чем больше проволочных соединений в микросхеме, тем ниже ее надеж­ность в процессе эксплуатации. Материал проволоки должен обра­зовывать механически прочный, с низким значением переходного сопротивления контакт с материалами площадок кристалла и носителя (или корпуса) при минимальных воздействиях режимов (механических, тепловых и т.п.) их присоединения на характеристики БИС. Способы присоединения проволочных выводов совершенствуются от ручных операций к полностью автоматизированным. Используется проволока из золота, алюминия, алюмокремниевых и алюминий-магниевых сплавов.

Золото и алюминий - металлы, стойкие к термическим и механиче­ским воздействиям, постоянно имеющим место в процессе эксплуата­ции БИС.

Проволока марки Зл 999,9 изготовляется из золота со степенью очистки более 99,999 %, в которое вносятся специальные добавки (бериллий, медь, железо, магний, серебро), улучшающие механические характеристики. Она имеет диаметр 25 - 60 мкм, относительное удлине­ние - свыше 10 %. Ее недостатки - высокие стоимость и удельный вес, низкое сопротивление разрыву (для неотожженной ~ 120 Н/мм²) и воз­можность образования с алюминием хрупких и пористых соединений типа РЛпРмт.

Выводы из алюминия, например марки А995 (содержание алюми­ния 99,995 %), имеют невысокую прочность (для мягкой проволоки ~ 75 Н/мм), что вынуждает увеличивать диаметр проволоки (до - 1000 мкм) и площадь создаваемых контактов. Поэтому использу­ют алюминиевую проволоку с добавками кремния (марка проволоки АК09П) и магния (марка проволоки АМг 0,8). В проволоке АК09П содержится до 1 % кремния в проволоке АМг 0,8 содержится 0,5 -1,0 % магния. Проволоки из алюминиевых сплавов имеют лучшие характери­стики, чем из чистого алюминия;, прочность отожженных ~ 450 Н/мм² при относительном удлинении до 4 %, диаметр 27 - 50 мкм.

Необходимые механические характеристики проволока приобрета­ет в процессе отжига. С повышением температуры проволока теряет прочность, становится мягче и пластичнее. Рекомендуемое усилие раз­рыва для проволоки диаметром 25 - 30 мкм составляет 0; 15 - 0,21 HI. Более прочная проволока может вызвать разрушение материала кристалла под контактной площадкой, а проволока пониженной прочности не обеспечивает стабильной прочности сварных соединений. Особенно
высоки требования к механическим характеристикам» проволока при ее
использовании в; автоматизированных установках.

Присоединение выводов осуществляется при монтаже полупро­водниковых БИС микросваркой. Из известных способов микросварки наименьшие механическое и тепловое воздействия обеспечивает УЗ микросварка. При проволочном монтаже реализуют два вида соедине­ний: встык и внахлест. Прочность соединения зависит от площади кон­такта, которая при соединении встык определяется площадью рабочего торца инструмента, диаметром проволоки и степенью ее деформации. При соединении внахлест с переменной по длине сварки деформацией проволоки используется инструмент с наклоном на несколько градусов в сторону, противоположную формируемой перемычке.

Из беспроволочных методов монтажа наибольшее распространение получили:

1) метод перевернутого кристалла (flip-chip). Осуществляется с
помощью объемных выводов;

2) метод ленточных носителей.

Беспроволочный монтаж имеет следующие преимущества перед проволочным:

• уменьшение длины соединений;

• исключение проволоки - механически ненадежного материала;

• увеличение прочности и надежности соединений;

• повышение производительности труда в пять и более раз на операциях сборки и монтажа ИМС;

• повышение плотности упаковки элементов в ячейках и блоках микроэлектронных устройств.

Для современных БИС и СБИС, для которых характерно увеличе­ние числа выводов и уменьшение шага, т.е. расстояния между соседни­ми выводами, все большее применение находят методы автоматизиро­ванной сборки ИМС с помощью ленточных носителей. Причем с ростом числа выводов до 100 и выше этот метод сборки становится единствен­ным технически реализуемым и экономичным.

Широкое распространение получил метод сборки с помощью полиимидных носителей.