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.