Термокопрессионная микросварка

Термокомпрессионная сварка (ТКС) - это метод соединения металлов в твердом состоянии при контролируемой диффузии, относительно высоких удельных давлениях и нагреве до температуры ниже температуры образования жидкой фазы соединяемых материалов.

Поскольку в обычных условиях реальные поверхности свариваемых материалов покрыты оксидными пленками, то образование прочного сварного соединения может произойти при условии деформации в зоне контактирования. Деформация может обеспечить механический контакт соединяемых материалов и разрушение оксидных и адсорбированных поверхностных пленок.

При соприкосновении чистых поверхностей свариваемых элементов может произойти «схватывание».

Области «схватывания» возникают на участках, где возможны взаимодействия между свободными элементами двух разнородных атомов и образование межатомной связи. Необходимая энергия для преодоления энергетического барьера поверхностными атомами, т. е. повышения их энергии до определенного уровня, при котором может произойти взаимодействие, вводится в результате пластической деформации и нагрева.

При деформации присоединяемого проводника в местах максимальных касательных напряжений возникают дислокации на контактных поверхностях тонкопленочных покрытий. Повышение плотности дислокаций приводит к развитию участков «схватывания» и площади взаимодействия, однако увеличение температуры, давления и длительности процесса может вызвать образование дислокации и в полупроводнике. Это явление особенно нежелательно при сборке ИМС и полупроводниковых приборов с небольшой глубиной залегания р-п-перехода.

В качестве материалов выводов могут использоваться только высокопластичные металлы (алюминий, золото, серебро, медь), присоединение которых может осуществляться при температуре до 320 °С, что несколько ниже температуры образования дислокации в полупроводниках (для кремния Т = 450 °С).

Наиболее эффективным при термокомпрессии является одновременный нагрев прибора и инструмента, так как он позволяет обеспечить точное поддержание температуры в зоне сварки. Установлено, что при температурах более 360 °С разрушение оксидной пленки при сварке происходит с последующим образованием интерметаллических фаз, богатых золотом. Последние имеют плохую адгезию с поверхностью оксида кремния, вызывают хрупкость соединения и снижают надежность контактов. Диффузионные процессы при образовании интерметаллических соединений способствуют появлению трещин и пор в контакте, образованию тройной эвтектики Si-AI-Au с невысокой температурой плавления. Полностью избежать этого можно, применив однородные материалы, например А1-А1.

При термокомпрессии "внахлестку" инструмент с усилием около 25 г прижимает золотую проволоку к нагретой до 300 °С контактной площадке кристалла на подложке.

После приварки проволоки к внешнему выводу корпуса происходит ее отрезание с одновременным формированием "сапожка" для следующего присоединения.

Метод применяют в технологии ИМС, где требуется присоединение проволоки к нескольким контактным площадкам без ее обрыва.

Общим недостатком метода является то, что он не рекомендуется для приварки плоских проводников, так как при их деформации недостаточно течение металла в направлении плоскости контакта, что затрудняет образование соединений.

 

59. Ультразвуковая и термозвуковая микросварка.

Ультразвуковая сварка (УЗС) - это метод соединения металлов в твердом состоянии, отличающийся от других видов сварки способом введения энергии в зону сварки.

Сближение свариваемых изделий и образование соединения происходит при пластической деформации материалов от совместного воздействия усилия напряжения и тепловой энергии за счет процессов трения и воздействия на материалы УЗ полем частотой, как правило, 66±10 % кГц для микросварки (рис.1). Этот метод признан наиболее перспективным при выполнении технологических операций сборки различных типов полупроводниковых приборов алюминиевой проволокой.

К основным достоинствам метода УЗС следует отнести:

-возможность соединения широкой номенклатуры материалов;

-получение соединений материалов с окисленными поверхностями.

При ультразвуковой сварке в то время как проволока находится под нагрузкой, механическое перемещение, или вибрация инструмента вызывает скачок уплотнения на алюминиевой контактной площадке (рис.2).

 

Рис.2. Схема УЗ сварки: 1-проволока; 2-сварочный инструмент; 3-

контактная площадка; 4-кристалл

Распространение волнового фронта по проволоке обусловливает образование волнистой структуры посредством воздействия напряжения сдвига в алюминиевой контактной площадке перпендикулярно направлению вибраций.

До начала (или во время) движения волнового фронта ультразвуковая энергия поглощается проволокой, при этом последняя размягчается и под действием нагрузки течет, разрывая поверхностный оксид и оставляя незащищенной свежую поверхность проволоки и контактной площадки. Эта свежая незащищенная поверхность металла быстро сваривается. Соединение образуется в тороидальной области вокруг центра контактной площадки и проволоки внутри области волнистой структуры.

Поскольку проволока размягчается и деформируется, вертикальное напряжение уменьшается во времени. В то же время вибрирующее воздействие инструмента для ультразвуковой сварки вызывает появление горизонтального напряжения. При большой величине вертикального напряжения соединения произойти не может из-за больших касательных напряжений. При среднем вертикальном напряжении происходит соединение, и свариваемая область растет со временем, так как вертикальное напряжение уменьшается.

Взаимодействие золота с алюминием во время соединения золотой проволокой широко исследовано, особенно для процесса термокомпрессионной сварки, где происходит значительный рост образования интерметаллических соединений. При сварке обычно обнаруживается пурпурная интерметаллическая фаза AuAI2, называемая «пурпурной чумой». Ранее считали, что эта фаза является неустойчивой и может привести к хрупкому разрушению свариваемой проволоки. Хотя до сих пор существуют противоречивые мнения о скорости роста возможных интерметаллических соединений и роли ускорителей этого роста (кроме температуры), полагают, что хрупкость соединения вызвана объединением вакансий в полостях, известных как полости Киркендала, вдоль линии сварки. Генерирование вакансий происходит за счет значительного повышения температуры в зоне контакта, а также из-за разной скорости диффузии алюминия в золото и наоборот.

Образование сварного соединения определяется:

-колебательной скоростью, давлением сварочного наконечника и временем

-С другой стороны, механизм сварки определяется свойствами свариваемых металлов и состоянием поверхности.

Ввод энергии ультразвука в сопряженные на малом участке металлы вызывает повышение температуры в зоне их контакта, растрескивание твердых и выгорание жировых пленок, пластическое деформирование материала, интенсивную диффузию, рекристаллизацию, плавление и другие явления.

Наиболее существенным условием свариваемости металлов в твердом состоянии является разница в диаметрах атомов свариваемых металлов, которая не должна превышать 15-18 %.

При различии диаметров от 19 до 44 % схватывания металлов не происходит.

Предельная величина относительной разности диаметров совпадает с общим условием существования твердых растворов металлов, что дает возможность установить свариваемость из фазовой диаграммы для данной пары металлов.

Металлы свариваются в случае полной, а в отдельных случаях и ограниченной растворимости в твердом состоянии.

Сварка возможна и при отсутствии растворимости, если удается подобрать третий растворяющийся металл, который наносится на один из свариваемых металлов.

В общем случае ровные и чистые (тщательно обработанные) контактные поверхности свариваются лучше. И, наоборот, грубая механическая обработка свариваемых поверхностей, наличие различных поверхностных пленок, плакирование, как правило, ухудшают свариваемость металлов, а в ряде случаев и исключает её.

Благоприятными условиями для схватывания является совпадение зерен с близкой кристаллографической ориентацией.

Процесс УЗС в технологическом плане обусловлен параметрами режима сварки:

-мощностью колебательной системы,

контактным давлением

амплитудой колебаний сварочного наконечника,

-еменем сварки.

Сварка сопровождается увеличением температуры в зоне сварки до 190 °С при усилии сжатия до 2-2,5 Н. Это подтверждает предположение о том, что источником тепла при УЗС является трение между свариваемыми металлами при их относительном перемещении.

Электрическая мощность, передаваемая от генератора к преобразователю, определяет амплитуду механических колебаний инструмента и величину сдвиговых напряжений в зоне сварки, под действием которых преодолевается первичное схватывание, вызванная сжатием соединяемых элементов.

При малых значениях амплитуды колебаний сварное соединение не образуется, поскольку сдвиговых напряжений не хватает для разрушения оксидных пленок в зоне контакта, а при больших - в свариваемых элементах возникают усталостные процессы, приводящие кразрушению соединения. Оптимальные значения амплитуды колебаний инструмента составляют 1,5 - 2 мкм, однако контроль таких колебаний технически затруднен.

При малых перемещениях инструмента и времени сварки передача УЗ колебаний в зону монтажа недостаточно эффективна, при больших значениях амплитуды колебаний снижается сила сцепления двух металлов вследствие эффекта скольжения.

При большом времени сварки происходит разрыв проволочного проводника по "шейке" из-за его чрезмерной деформации.

При исследовании зон схватывания под микроскопом установлено, что глубина объемного взаимодействия свариваемых металлов возрастает с увеличением времени микросварки до 0,8 с. Однако при более длительном времени сварки наблкадается снижение прочности соединения вследствие появления трещин в зоне микросварки.

Важной задачей в совершенствовании технологии УЗС является изыскание параметров, позволяющих контролировать качество соединений в процессе сварки. Решение этого вопроса дало бы возможность одновременно с автоматизацией значительно повысить воспроизводимость результатов сварки, а такжеоценить прочность соединений без их разрушения.

Выбор частоты ультразвуковых колебаний для микросварки основан на необходимости ограничения амплитуды колебаний, что уменьшает знакопеременные напряжения в соединяемых деталях и опасность разрушения соединений.

Основное влияние на механическую прочность сварных соединений оказывают:

-ощность колебательной системы,

-амплитуда смещений инструмента,

-усилие сжатия,

-время сварки.

Функцию контроля качества соединения можно осуществлять, контролируя амплитуду колебаний рабочего инструмента в процессе сварки, но такой метод контроля затруднен сложностью фиксации амплитуды при сварке, а также зависимостью её от других параметров процесса.

Влияние амплитуды на сварку необходимо рассматривать только с учетом мощности системы, а не её конструктивного исполнения, когда за счет изменения коэффициента усиления концентратора можно изменить амплитуду смещений инструмента.

Известно также, что между мощностью и амплитудой колебаний инструмента имеет место линейная зависимость, поэтому некоторые исследователи отдают предпочтение именно этому параметру. Амплитуда колебаний сварочного инструмента должна быть такой, при которой могли бы возникнуть относительные перемещения в контакте между деталями. Помимо мощности, она зависит в процессе сварки от усилия сжатия свариваемых изделий и времени сварки, которые в свою очередь зависят от неё.

Особенностью амплитуды колебаний инструмента является её зависимость от внешней нагрузки, которая изменяется как в течение цикла сварки, так и при переходе от сварки к сварке. Изменение внешней нагрузки выражается в изменении амплитуды колебаний инструмента в процессе сварки. Из этого следует, что изменение амплитуды колебаний в процессе сварки связано с прочностью сварного соединения.

Одним из основных параметров, влияющих на поглощение акустической мощности в зоне соединения при ультразвуковой микросварке, является входной механический импеданс соединения. Его изменение в процессе микросварки приводит к рассогласованию с выходным импедансом ультразвуковой системы, что значительно снижает качество контактов интегральных микросхем, поэтому важно определить зависимости входного механического импеданса соединений от режимов УЗС:

-длительности процесса,

-ощности подводимых колебаний,

-режимов термообработки - температуры и времени отжига полученных контактов.

Прямо измерить механический импеданс микросварных соединений трудно, поэтому представляют практический интерес методы косвенного его определения по электрическим параметрам соединений:

-контактному сопротивлению,

-ндуктивности области стягивания линий тока в контакте.

Время ультразвуковой микросварки определяется скоростью процессов разрушения оксидных пленок на соединяемых элементах и объемного взаимодействия материалов в твердой фазе.

Оптимальное время схватывания материалов составляет 0,243,3 с, увеличение времени сварки лишь в течение 1,5 с приводит к изменению глубины зоны объемного взаимодействия за счет диффузионных процессов, однако столь длительное время воздействия ультразвуковых колебаний может вызвать усталостное разрушение соединений.

Предварительный подогрев свариваемых элементов до 190 °С уменьшает продолжительность воздействия ультразвука до 0,25 с и способствует образованию более прочных соединений.

Статическая нагрузка на сварочный капилляр непосредственно влияет на усилие сжатия соединяемых элементов и определяет деформацию проволочного вывода, а в конечном итоге и стабильность сварного соединения.

Для алюминиевой проволоки диаметром 35 мкм нагрузку на инструмент выбирают ориентировочно в диапазоне 2-4 Н.

Важным технологическим фактором также является форма рабочей части инструмента.

В связи с многообразием типоразмеров инструмента, предназначенного для выполнения различных технологических операций (пайки кристаллов, проволочного монтажа, групповой сварки), поиск места сопряжения инструмента с волноводом, чтобы не вызывать расстройки системы по частоте и ненужный вид колебаний, представляет определенную сложность.

Качество соединений определяется в основном физико-химическими свойствами поверхностей соединяемых материалов.

Метод соединения проволокой для монтажа полупроводниковых микросхем, впервые примененный в производстве транзисторов фирмой BellLaboratories (США) в 1956 г., часто подвергался сомнению в отношении его экономичности при монтаже микросхем в корпуса. На протяжении длительного времени различные технологии группового присоединения, например, методом перевер-нутого кристалла, с помощью балочных выводов, группового монтажа с помощью «паучковых» выводов, явля-лись основными его конкурентами. Однако большинство этих методов не нашли широкого применения в основном из-за недостаточной универсальности и большого количества дополнительных требований, предъявляемых к кристаллам и выводам приборов. Основное достоинство групповых методов-обеспечение высокой производительности-стало практически незаметным после появления высокоскоростных полностью автоматических установок присоединения проволочных выводов.

Процесс сварки состоит из трех стадий:

- активации контактных поверхностей,

- образования физического контакта,

- объемного взаимодействия.

Изменение микрорельефа поверхностей и структуры материалов, наличие окисных и адсорбированных пленок приводит к дестабилизации процессов микросварки (что требует корректировки технологических режимов), ухудшению качества и надежности сварных соединений, снижению производительности процесса.

Термозвуковая сварка (ТЗС) - этот способ сварки находит все возрастающее применение при сборке изделий микроэлектроники.

В ТЗС соединения формируются в результате совместного действия температуры, энергии ультразвуковых колебаний сварочного инструмента и усилия нагружения инструмента.

Данный способ сварки как бы объединяет отдельные качества ТЗС и УЗС и дает хорошие соединения при существенном смягчении режимов сварки, прежде всего температуры.

ТЗС используется в первую очередь при автоматизированной сборке приборов, критичных к температурам свыше 200-250 °С. К таким относятся быстродействующие приборы на арсениде галлия, заказные БИС и СБИС.

Применим этот способ сварки и для сборки толстопленочных ГИС.

Качественные, устойчивые к повышенным температурам (150 °С в течение до 3000 ч) и термоциклированию (100 циклов при температурах -55...+150 °С) соединения золотой проволоки с медными печатными проводниками получаются ТЗС при температуре подложки 105-200 °С

Практически ТЗС начинают широко применять и для сборки ИМС массовых серий с целью смягчения режимов и снижения критичности сварочного про-цесса к колебаниям качества соединяемых материалов.

Термозвуковая сварка "шариком" используется для соединения золотой проволоки с алюминиевыми и золотыми контактными площадками (рис.3). Нагрев подложки производится до 300 °С , прикладываемое усилие до 50 г. Соединения, полученные "шариком", более прочные, чем полученные методом "клина"

Рис.3. Термозвуковая сварка золотой проволоки методом шарика - клина: а -образование шарика с помощью водородной микрогорелки-золотая проволока (1) в капилляре инструмента (2); б - соединение с кристаллом (3), проволока согнута в петлю (4) и присоединена клином.