Сварка косвенным импульсным нагревом

Обновлено: 20.09.2024

Метод соединения микросхем должен удовлетворять следующим требованиям:
прочность соединения должна быть близка к прочности соединяемых элементов микросхем;
соединение должно иметь минимальное омическое сопротивление;
основные параметры процесса соединения (температура нагрева, удельное давление и длительность выдержки) должны быть минимально возможными, с тем, чтобы не повреждались элементы схемы;

Содержание

1. Основные способы сварки электронных схем 3
2. Термокомпрессия. 4
3. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН) 5
4. Ультразвуковая сварка с косвенным импульсным нагревом 7
4.1. Холодная сварка 8
4.2. Микроплазменная сварка 9
4.3. Лазерная сварка 10
5. Выполнение соединений в микросхемах. 10
6. Параметры режимов сварки и свариваемость материалов микросхем. 14
7. Заключение 17
8. Литература 18

Прикрепленные файлы: 1 файл

referat.docx

«Технологический процесс сварки электрического оборудования автомобиля».

1. Основные способы сварки электронных схем 3

2. Термокомпрессия. 4

3. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН) 5

4. Ультразвуковая сварка с косвенным импульсным нагревом 7

4.1. Холодная сварка 8

4.2. Микроплазменная сварка 9

4.3. Лазерная сварка 10

5. Выполнение соединений в микросхемах. 10

6. Параметры режимов сварки и свариваемость материалов микросхем. 14

7. Заключение 17

8. Литература 18

Основные способы сварки электронных схем

Метод соединения микросхем должен удовлетворять следующим требованиям:

  • прочность соединения должна быть близка к прочности соединяемых элементов микросхем;
  • соединение должно иметь минимальное омическое сопротивление;
  • основные параметры процесса соединения (температура нагрева, удельное давление и длительность выдержки) должны быть минимально возможными, с тем, чтобы не повреждались элементы схемы;
  • выполнять соединение материалов разнообразных сочетаний и типоразмеров;
  • после соединения не должно оставаться материалов, вызывающих коррозию; качество соединений должно контролироваться простыми и надежными методами.

Из общеизвестных способов сварки при производстве микроэлектронных схем применяют контактную точечную, ультразвуковую, холодную, диффузионную, электронно-лучевую, лазерную, аргонодуговую и микроплазменную.

Специально для целей монтажа микросхем разработано несколько оригинальных способов микросварки давлением:

  • термокомпрессия,
  • сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН),
  • ультразвуковая сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН),
  • односторонняя контактная сварка (точечная и шовная).

Термокомпрессия.

Термокомпрессия — способ соединения металлов с металлами и неметаллами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давлениях.

По терминологии, принятой в сварке, более правильно термокомпрессию называть микросваркой давлением с подогревом соединяемых деталей.

Один из соединяемых материалов (обычно вывод) при термокомпрессии должен обладать достаточно высокой пластичностью. Температура при термокомпрессии не превышает температуры образования эвтектики соединяемых материалов и обычно равна температуре отпуска или отжига более пластичного металла.

Термокомпрессией можно соединять мягкие высокоэлектропроводные материалы в виде круглых и плоских проводников с полупроводниковыми материалами и электропроводными тонкими пленками, напыленными на хрупкие диэлектрические подложки. Основные типы термокомпрессионных соединений показаны на рис. 1.

Термокомпрессия является наиболее распространенным способом монтажа полупроводниковых микроприборов и интегральных схем в разнообразных корпусах гибкими проволочными проводниками.

Основными параметрами режима термокомпрессии с использованием статического нагрева являются усилие сжатия (давление р), температура нагрева соединения или инструмента Т, длительность выдержки под давлением t.

Выбор давления определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника и допустимым механическим воздействием на полупроводниковый прибор.

Усилие сжатия выбирают в зависимости от пластичности проводника, сочетания свариваемых материалов, диаметра проволоки и торца инструмента.

Давления при сварке алюминиевого проводника составляют 4—8 кгс/мм 2 и при сварке золотого проводника 10—14 кгс/мм 2 .

Основные типы термокомпрессионных соединений:

a — соединение в виде плоской сварной точки (термокомпрессия клином);

б — соединение встык с образованием шарика;

в — соединение с ребром жесткости (термокомпрессия инструментом с канавкой);

г — соединение типа «рыбий глаз» (термокомпрессия инструментом с выступом)

Длительность выдержки устанавливается в зависимости от сочетания свариваемых материалов и определяется экспериментально путем оценки прочности соединений и может колебаться от 0,1 с до нескольких секунд.

Сварка давлением с косвенным импульсн ым нагревом (СКИН)

Схема СКИН V-образным инструментом (пуансоном), нагреваемым импульсно проходящим по нему током, показана на рис. 2. Способ можно с успехом применять при монтаже гибридных интегральных схем. Он находит широкое применение в интегральных микросхемах, которые не допускают общего разогрева. Этим способом можно сваривать золотые, алюминиевые и медные проводники диаметром 20—100 мкм с разнообразными пленками, напыленными на диэлектрические или полупроводниковые подложки. При правильно подобранном режиме можно обеспечить высокое качество соединений и достаточно хорошую стабильность.

Схема сварки давлением с косвенным импульсным нагревом V-образным инструментом:

1 — рабочий столик;

2 — подложка или полупроводниковый кристалл;

4 — V-образный инструмент (пуансон);

5 — сварочная головка для создания давления;

6 — источник питания;

7 — реле времени

Односторонняя контактная сварка (рис. 3.) — распространенный способ соединения различных электронных компонентов.

Схемы односторонней контактной сварки:

a - односторонняя точечная сварка:

1 — электрод для сжатия спариваемых деталей и подвода тока к проволоке;

2 — электрод для подвода тока к шине печатной платы;

3 — контактная площадка или шина печатной платы;

4 — диэлектрическое основание печатной платы;

5 - привариваемая проволока или лента;

б и в — односторонняя сварка соответственно сдвоенным электродом (с параллельными зазорами) и строенным электродом трех-фазным током

2 — привариваемый проводник;

3 - тонкая металлическая пленка;

4 — диэлектрическая подложка;

г — односторонняя шовная сварка — пайка коническими роликами:

1 — конические ролики;

2 — сварочный трансформатор;

3 — крышка корпуса;

4 — металлическая рамка;

5 — керамическое основание корпуса микросхемы

При односторонней точечной контактной сварке (рис. 3, а) один электрод прижимает проволоку или ленту к контактной площадке, а второй электрод служит для подвода сварочного тока к контактной площадке. Этот способ применяют для сварки весьма тонких проводников (круглых и плоских) с относительно толстым материалом и для сварки проводников с электроосажденными пленками толщиной около 20 мкм.

Для присоединения круглых и плоских выводов навесных элементов к тонким пленкам на хрупких подложках и к печатному монтажу применяют контактную сварку сдвоенным электродом (рис. 3, б) и сварку строенным электродом трехфазным током (рис. 3, в).

При односторонней сварке сдвоенным или строенным электродом электроды устанавливают на верхнюю привариваемую деталь (проволоку, ленту) и прижимают к нижней детали. Таким способом можно с успехом приваривать проводники диаметром от 20 до 150—250 мкм из Аи, Сu, Ag и других металлов к тонким пленкам на керамических подложках.

Одностороннюю шовную сварку коническими роликами применяют для герметизации металлостеклянных и металлокерамических корпусов микросхем металлическими крышками.

Ультразвуковая сварка с косвенным импульсным нагревом

Ультразвуковая микросварка и комбинированные способы сварки успешно используются при изготовлении гибридных схем, транзисторов и интегральных схем. В микроэлектронике используются следующие способы ультразвуковой и комбинированной микросварки:

  • сварка продольными и продольно-поперечными колебаниями (рис. 4, а);
  • сварка крутильными колебаниями (рис. 4, б);
  • сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН) (рис. 4, в);
  • термокомпрессия с ультразвуком.

Основными параметрами процесса при ультразвуковой микросварке являются амплитуда колебаний, рабочего торца, инструмента, которая зависит от электрической мощности преобразователя и конструктивного исполнения колебательной системы; усилие сжатия свариваемых элементов; длительность включения ультразвуковых колебаний. При комбинированном методе сварки (УЗСКН) регулируемыми параметрами также являются температура нагрева инструмента или изделия, время относительного смещения импульса ультразвука и нагрева. Процесс ультразвуковой микросварки продольными и продольно-поперечными колебаниями характеризуется малыми амплитудами колебаний (1 —10 мкм) и относительно большими удельными давлениями (0,5—1 σcсвариваемого материала).

Ультразвуковую микросварку применяют для выполнения монтажа гибкими проводниками, присоединения кристалла к корпусу, беспроволочного монтажа интегральных схем методом «перевернутого кристалла», присоединения плоских выводов к кремниевым кристаллам диодов.

Холодная сварка

Холодная сварка осуществляется за счет пластической деформации свариваемых деталей под действием давления без дополнительного подогрева. Для получения высококачественного сварного соединения при холодной сварке необходимо обеспечить точную сборку и чистоту свариваемых поверхностей и необходимую степень деформации, зависящую от соединяемых металлов (от 35% для сочетания золото + золото до 80% для сочетаний медь + медь, медь + ковар (сплав на основе никеля, кобальта и железа) и ковар + ковар.) В микроэлектронике этот способ применяется для герметизации металлостеклянных корпусов приборов.

Микросварка давлением с образованием эвтектики заключается в нагреве деталей до температуры образования эвтектики соединяемых материалов при одновременном сжатии и подаче колебаний (при необходимости). Способ наиболее приемлем для непосредственного присоединения плоских золоченых выводов к полупроводниковым кремниевым кристаллам, если требуется сравнительно большая площадь контакта (0,2—2 мм 2 ), при соединении кристаллов интегральных схем с золоченой поверхностью корпуса, при соединении медных лепестковых выводов, покрытых оловом, с золочеными выступами на кристалле ИС.

Микроплазменная сварка

Микроплазменная сварка является разновидностью сварки плавлением. Отличительная особенность процесса — создание ионизированного потока инертного газа [смесь аргона с гелием (до 70%), с водородом (до 10—15%) или азотом]. Расплавление металла происходит сжатой дугой прямого действия и потоком плотной ионизированной плазмы. Этот способ сварки применяется для герметизации корпусов приборов из ковара или никеля толщиной 0,1—0,3 мм. При этом сила тока составляет 5—10 А, скорость сварки 15—150 м/ч.

Схемы устройств для ультразвуковой сварки:

а — для ультразвуковой сварки продольными (продольно-поперечными) колебаниями:

1 — магнитострикционным преобразователь;

3 — опора и устройство для создания усилия сжатия;

4 — сварочный инструмент (наконечник);

5 — свариваемые детали;

6 — опора для крепления деталей;

7 — обмотка возбуждения;

8 — обмотка подмагничивания;

б — для ультразвуковой сварки крутильными колебаниями:

2 — обмотка возбуждения;

6 — стержень, совершающий крутильные колебания;

7, 8, 9 — свариваемые изделия;

11 — спираль для нагрева;

в — для ультразвуковой сварки с косвенным импульсным нагревом:

1 — магнито-стрикционный преобразователь;

3 — сварочный инструмент;

4 — источник питания для нагрева сварочного инструмента

Лазерная сварка

Лазерная сварка находит применение при монтаже различных элементов радиоэлектронной техники и при герметизации корпусов. Для микросварки наиболее широко используются лазеры на твердом теле (стекло с неодимом, алюмоиттриевый гранат) с энергией излучения 2—30 Дж и длительностью импульса 1—10 мс.

Электронно-лучевая сварка успе шно применяется для герметизации радиоэлектронных устройств в металлостеклянных корпусах. Обычно используется импульсная сварка при ускоряющем напряжении 20—100 кВ и силе тока в луче до нескольких десятков миллиампер.

Диффузионная сварка в вакууме и в водороде начинает применяться в производстве микросхем для сварки термокомпенсаторов кристаллов и на других операциях.

Выполнение соединений в микросхемах.

Применяется несколько схем монтажа полупроводниковых приборов и интегральных схем, в которых для соединения используются различные способы микросварки.

45. Монтажная микросварка. Термокомпрессионная сварка. Сварка с косвенным импульсным нагревом. Электроконтактная сварка расщепленным электродом. Ультразвуковая сварка.

Обычные методы сварки при выполнении монтажных соединений в интегральных схемах применяют весьма ограниченно, что обус­ловлено малыми размерами соединений. Микросоединения выпол­няют золотой или алюминиевой проволокой диаметром менее 50 мкм. Контактные площадки микросхем имеют малую площадь. Для выполнения микросварных соединений используют различные методы сварки. Основными из них являются следующие методы сварки: термокомпрессионная, с косвенным импульсным нагревом, расщепленным электродом, ультразвуковая. Микросварные соеди­нения выполняют на установках, оснащенных оптическими устрой­ствами и манипуляторами.

Термокомпрессионная микросварка.

Это сварка давлением, при которой нагрев соединяемых поверхностей осуществляется до перехода их в пластическое состояние с одновременным приложением давления.

Тепловая энергия поступает в зону соединение путём теплопередачи от поверхности инструмента, нагретого импульсом тока.

Термокомпрессия различается по способу нагрева:

Нагрев только рабочего столика

Нагрев только рабочего инструмента

Одновременный нагрев рабочего столика и инструмента

Термокомпрессионная сварка обеспечивает сварку плоских проводников с тонкими металлическими покрытиями на жёстких диэлектрических подложках. Предварительно требуется очистка поверхности. Применение термокомпрессионной сварки ограничено приемлемыми сочетаниями свариваемых материалов. Термокомпрессионная термосварка классифицируется по 3 признакам:

По способу нагрева

По форме сварного соединения, обусловленным инструментом.

По видам соединения (внахлёст, встык).

При термокомпрессионной сварке необходимо чтобы рабочий инструмент успевал остывать. Он должен быть сделан из не привариваемой поверхности, требует тщательного контроля режима сварки: давление. Температура, время сварки, давление. Сварка термокомпрессией наиболее распространена для соединения выводов кристалла с выводами корпуса микросхем. Температура процесса от 150 до 350 градусов Цельсия, длительность 0,2-0,5 секунды.

Ультразвуковая сварка.

Ультразвуковая микросварка применяется в соединении деталей, нагрев которых затруднён ил при соединении разного рода материалов. Неразъёмное соединение образуется при совместном воздействии на инструмент механических колебаний высокой частоты и небольших сдавливающих усилий. Тепло выделяется за счёт трения поверхностей. Сглаживаются неровности и создаются чистые поверхности. Для получения соединения достаточно акустической энергии.

Основные параметры: амплитуда и частота колебания инструмента, внешнее давление и температура, при нагреве до 155 градусов сокращается время и улучшается качество. Время сварки от 0,3 до 0,5 секунды.

Сварка с косвенным импульсным нагревом. Такая сварка являет­ся наиболее прогрессивной. Она отличается от термокомпрессион­ной тем, что рабочий инструмент нагревается только в момент свар­ки, а выделение теплоты сосредоточено в нижней части инстру­мента.

Электрод-инструмент под небольшим давлением приводится в, соприкосновение с проводником При прохождении импульса тока торец электрода нагревается и локально нагревает» проводник до более высокой температуры, чем при термокомпрес-сконной сварке. При этом проводник переходит в пластическое состояние, происходит его осадка под воздействием давления и об­разуется соединение.

Электрод имеет У-образную форму, что позволяет регулировать продолжительность и степень нагрева с большой точностью. Раз­меры электрода выбирают такими, чтобы разогревался только его торец, т. е. та часть, которая непосредственно контактирует со сва­риваемым элементом. Усилие сжатия зависит от пластичности ма­териала и диаметра привариваемой проволоки. Для золотых и алю­миниевых проводов давление берут в пределах 0,5 . 5 Н, а темпе­ратуру 400. 490° С.

Электроконтактная сварка расщепленным электродом. Эта сварка осуществляется за счет нагрева при пропуска­нии электрического тока через свари­ваемые проводники между изолиро­ванными друг от друга электродами. Изолятором служит воздух или прокладка из диэлектри­ка Основная часть теплоты выделяется в точках контак­та «электрод — вывод». Электрод вы­полняют из металлов с хорошей теп­лопроводностью и высокой температу­рой плавления (вольфрама, молибде­на и др.). Количество выделяемой теп­лоты зависит от свойств поверхности раздела.

При нагреве проводников и наличии давления электродов вы­ступы, нагретые до температуры рекристаллизации, сминаются. Площадь контакта вследствие этого увеличивается и облегчается сцепление за счет металлических связей. Длительность нагрева при сварке сдвоенным электродом значительно меньше, чем при сварке с косвенным импульсным нагревом, и возможность повре­ждения элементов схемы сведена к минимуму.

Расщепленный электрод применяют и для бесфлюсовой пайки. В отличие от сварки здесь нагрев требуется только для расплав­ления припоя, предварительно нанесенного на соединяемые лета­ли. Этот метод особенно пригоден в тех случаях, когда подводить припой в момент нагрева затруднительно.

При пайке сопротивлением необходимо строгое соблюдение ре­жимов технологического процесса. Для этого используют схемы с обратной связью, работающие по принципу поддержания опреде­ленного напряжения между электродами или сохранения заданной температуры.

6.1.2. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (скин)

Этот метод является разновидностью способа сварки давлением с подогревом. Метод СКИН осуществляется V-образным инструментом (пуансоном), импульсно нагреваемым проходящим по нему током (рис. 6.7). Способ применяется при монтаже гибридных ИС, которые не допускают общего разогрева. Вследствие кратковременности процесса нагрева металлический проводник в месте контакта может нагреваться до более высоких температур, чем при термокомпрессии. Этим методом приваривают золотые, алюминиевые и медные проводники диаметром 0,02-0,1 мм с разнообразными пленками, напыленными на диэлектрические или полупроводниковые подложки.


Рис. 6.7. Схема сварки давлением с косвенным импульсным нагревом V-образным инструментом: 1 – рабочий столик; 2 – подложка; 3 – проводник; 4 – инструмент; 5 – сварочная головка для создания давлением; 6 – источник питания; 7 – реле времени

6.1.3. Ультразвуковая микросварка

При этом методе соединение металлов в твердом состоянии осуществляется за счет возбуждения в свариваемых деталях упругих колебаний ультразвуковой частоты при одновременном создании определенного давления. В микроэлектронике УЗС используется при изготовлении транзисторов, ИС, гибридных ИС и др. изделий микроэлектроники.

Основными параметрами процесса при этом методе микросварки являются амплитуда колебаний рабочего торца инструмента, которая зависит от электрической мощности преобразователя и конструктивного исполнения колебательной системы; усилие сжатия свариваемых элементов; длительность включения ультразвуковых колебаний (время сварки).

Сущность метода ультразвуковой сварки заключается в возникновении трения на поверхности раздела между соединяемыми телами, в результате чего происходит разрушение оксидных и адсорбированных пленок, образование физического контакта и развитие очагов схватывания между соединяемыми деталями.

Для ультразвуковой микросварки применяют две колебательные системы (рис. 6.8). Температура нагрева деталей непосредственно в зоне контакта обычно не превышает 0,3-0,5 от температуры плавления соединяемых материалов.


Рис. 6.8. Ультразвуковые колебательные системы для микросварки: 1 – преобразователь; 2 – волновод-концентратор; 3 – акустическая развязка; 4 – сварочный инструмент. А – амплитуда колебаний; Р – усилие сжатия; М – момент силы

6.1.3.1. Расчет концентраторов для установок ультразвуковой микросварки

При монтаже проволочных выводов в СПП для силовой электроники в основном применяется УЗС. Основными параметрами процесса при этом методе микросварки являются: амплитуда колебаний рабочего торца инструмента, которая зависит от электрической мощности преобразователя и конструктивного исполнения колебательной системы; усилие сжатия свариваемых элементов; длительность включения ультразвуковых колебаний (время сварки).

Сущность метода УЗС заключается в возникновении трения на поверхности раздела соединяемыми элементами, в результате чего происходит разрушение оксидных и адсорбированных пленок, образование физического контакта и развитие очагов схватывания между соединяемыми деталями.

Ультразвуковой концентратор является одним из основных элементов колебательных систем микросварочных установок. Концентраторы выполняются в виде стержневых систем с плавно меняющимся сечением, т. к. площадь излучения преобразователя всегда значительно больше площади сварного соединения. Большим, входным, сечением концентратор присоединяется к преобразователю, а к меньшему, выходному, сечению крепится ультразвуковой инструмент. Назначение концентратора – это передача ультразвуковых колебаний от преобразователя в ультразвуковой инструмент с наименьшими потерями и наибольшей эффективностью.

В ультразвуковой технике известно большое количество типов концентраторов. Наибольшее распространение получили следующие: ступенчатый, экспоненциальный, конический, катеноидальный и концентратор типа «цилиндр-катеноида». В колебательных системах установок часто используются конические концентраторы. Это объясняется тем, что они просты в расчете и изготовлении. Однако из пяти вышеперечисленных концентраторов конический обладает наибольшими потерями из-за внутреннего трения, рассеивает наибольшую мощность, а следовательно, больше нагревается. Наилучшей устойчивостью обладают концентраторы с наименьшим значением отношения входного и выходного диаметров для одинакового коэффициента усиления Ky. Желательно также, чтобы "полуволновая" длина его была наименьшей. Для целей микросварки обычно применяют концентраторы с 2y

Материал концентратора должен обладать высокой усталостной прочностью, малыми потерями, хорошо паяться твердыми припоями, легко обрабатываться и быть сравнительно недорогим.

Расчет ультразвукового концентратора сводится к определению его длины, входных и выходных сечений, формы профиля его боковых поверхностей. При расчете вводят следующие допущения: а) вдоль концентратора распространяется плоская волна; б) колебания носят гармонический характер; в) концентратор колеблется только вдоль осевой линии; г) механические потери в концентраторе невелики и линейно зависят от амплитуды колебаний (деформации).

Теоретический коэффициент усиления Ку амплитуды колебаний экспоненциального концентратора определяется из выражения

где D0 и D1 – соответственно диаметры входного и выходного сечений концентратора, мм; N – отношение диаметра входного сечения концентратора к выходному.

Длина концентратора рассчитывается по формуле

где с – скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале концентратора, мм/с; f – рабочая частота, Гц.

Положение узловой плоскости х0 (места крепления волновода) выражается соотношением

Форма образующей профиля катеноидальной части концентратора рассчитывается по уравнению

где – коэффициент формы образующей; х – текущая координата по длине концентратора, мм.

В данной работе разработана компьютерная программа для расчета параметров пяти типов ультразвуковых концентраторов: экспоненциального, ступенчатого, конического, катеноидального и концентратора «цилиндр-катеноида», реализованная на языке Паскаль (компилятор Turbo-Pascal-8.0). Исходными данными для расчетов являются: диаметры входного и выходного сечений (D0 и D1), рабочая частота (f) и скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале концентратора (с). Программа позволяет рассчитать длину, положение узловой плоскости, коэффициент усиления, а также для экспоненциального, катеноидального и концентратора «цилиндр-катеноида» форму образующей с заданным шагом. Структурная схема алгоритма для расчета экспоненциального концентратора представлена на рис. 6.9.

Пример расчета. Рассчитать параметры полуволнового экспоненциального концентратора, если заданы рабочая частота f = 66 кГц; диаметр входного сечения D0 = 18 мм, выходного D1=6 мм; материал концентратора – сталь 30ХГСА (скорость ультразвука в материале с = 5,2·10 6 мм/с).

По формуле (1) определяем коэффициент усиления концентратора .

Рис. 6.9. Структурная схема алгоритма расчета экспоненциального концентратора

В соответствии с выражениями (2) и (3) длина концентратора , положение узловой плоскости мм.

Уравнение (4) для расчета формы профиля концентратора приобретает после подстановок следующий вид:

Расчеты с помощью компьютерной программы профиля образующей экспоненциального концентратора с шагом по параметру х, равным 5 мм, приведены в табл. 6.1. По данным табл. 6.1 конструируется профиль концентратора.

Сварка в микроэлектронике


Метод соединения микросхем должен удовлетворять следующим требованиям: прочность соединения должна быть близка к прочности соединяемых элементов микросхем; соединение должно иметь минимальное омическое сопротивление; основные параметры процесса соединения (температура нагрева, удельное давление и длительность выдержки) должны быть минимально возможными, с тем чтобы не повреждались элементы схемы; выполнять соединение материалов разнообразных сочетаний и типоразмеров; после соединения не должно оставаться материалов, вызывающих коррозию; качество соединений должно контролироваться простыми и надежными методами. Из общеизвестных способов сварки при производстве микроэлектронных схем применяют контактную точечную, ультразвуковую, холодную, диффузионную, электронно-лучевую, лазерную, аргонодуговую и микроплазменную.

Специально для целей монтажа микросхем разработано несколько оригинальных способов микросварки давлением: термокомпрессия, сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН), ультразвуковая сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН), односторонняя контактная сварка (точечная и шовная).

Специально для целей монтажа микросхем разработано несколько оригинальных способов микросварки давлением: термокомпрессия, сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН), ультразвуковая сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН), одно- сторонняя контактная сварка (точечная и шовная).

Термокомпрессией можно соединять мягкие высокоэлектропроводные материалы в виде круглых и плоских проводников с полупроводниковыми материалами и электропроводными тонкими пленками, напыленными на хрупкие диэлектрические подложки.

Давления при сварке алюминиевого проводника составляют 4—8 кгс/мм2 и при сварке золотого проводника 10—14 кгс/мм2.

Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН). Способ можно с успехом применять при монтаже гибридных интегральных схем. Он находит широкое применение в интегральных микросхемах, которые не допускают общего разогрева. Этим способом можно сваривать золотые, алюминиевые и медные проводники диаметром 20—100 мкм с разнообразными пленками, напыленными на диэлектрические или полупроводниковые подложки. При правильно подобранном режиме можно обеспечить высокое качество соединений и достаточно хорошую стабильность.

Односторонняя контактная сварка — распространенный способ соединения различных электронных компонентов.

При односторонней точечной контактной сварке один электрод прижимает проволоку или ленту к контактной площадке, а второй электрод служит для подвода сварочного тока к контактной площадке. Этот способ применяют для сварки весьма тонких проводников (круглых и плоских) с относительно толстым материалом и для сварки проводников с электроосажденными пленками толщиной около 20 мкм.

Для присоединения круглых и плоских выводов навесных элементов к тонким пленкам на хрупких подложках и к печатному монтажу применяют контактную сварку сдвоенным электродом и сварку строенным электродом трехфазным током.

Ультразвуковая микросварка и комбинированные способы сварки успешно используются при изготовлении гибридных схем, транзисторов и интегральных схем. В микроэлектронике используются следующие способы ультразвуковой и комбинированной микросварки: сварка продольными и продольно-поперечными колебаниями; сварка крутильными колебаниями; сварка с косвенным импульсным нагревом (УЗСКН); термокомпрессия с ультразвуком.

Основными параметрами процесса при ультразвуковой микросварке являются амплитуда колебаний, рабочего торца, инструмента, которая зависит от электрической мощности преобразователя и конструктивного исполнения колебательной системы; усилие сжатия свариваемых элементов; длительность включения ультразвуковых колебаний. При комбинированном методе сварки (УЗСКН) регулируемыми параметрами также являются температура нагрева инструмента или изделия, время относительного смещения импульса ультразвука и нагрева. Процесс ультразвуковой микросварки продольными и продольно-поперечными колебаниями характеризуется малыми амплитудами колебаний (1 —10 мкм) и относительно большими удельными давлениями (0,5—1 σc свариваемого материала).

Холодная сварка осуществляется за счет пластической деформации свариваемых деталей под действием давления без дополнительного подогрева. Для получения высококачественного сварного соединения при холодной сварке необходимо обеспечить точную сборку и чистоту свариваемых поверхностей и необходимую степень деформации, зависящую от соединяемых металлов (от 35% для сочетания золото + золото до 80% для сочетаний медь + медь, медь + ковар и ковар + ковар.) В микроэлектронике этот способ применяется для герметизации металлостеклянных корпусов приборов.

Микросварка давлением с образованием эвтектики заключается в нагреве деталей до температуры образования эвтектики соединяемых материалов при одновременном сжатии и подаче колебаний (при необходимости). Способ наиболее приемлем для непосредственного присоединения плоских золоченых выводов к полупроводниковым кремниевым кристаллам, если требуется сравнительно большая площадь контакта (0,2—2 мм2), при соединении кристаллов интегральных схем с золоченой поверхностью корпуса, при соединении медных лепестковых выводов, покрытых оловом, с золочеными выступами на кристалле ИС.

Микроплазменная сварка является разновидностью сварки плавлением. Отличительная особенность процесса — создание ионизированного потока инертного газа [смесь аргона с гелием (до 70%), с водородом (до 10—15%) или азотом]. Расплавление металла происходит сжатой дугой прямого действия и потоком плотной ионизированной плазмы. Этот способ сварки применяется для герметизации копусов приборов из ковара или никеля толщиной 0,1—0,3 мм. При этом сила тока составляет 5—10 А, скорость сварки 15—150 м/ч.

Лазерная сварка находит применение при монтаже различных элементов радиоэлектронной техники и при герметизации корпусов. Для микросварки наиболее широко используются лазеры на твердом теле (стекло с неодимом, алюмо-иттриевый гранат) с энергией излучения 2—30 Дж и длительностью импульса 1—10 мс.

Электронно-лучевая сварка успешно применяется для герметизации радиоэлектронных устройств в металлостеклянных корпусах. Обычно используется импульсная сварка при ускоряющем напряжении 20—100 кВ и силе тока в луче до нескольких десятков миллиампер.

Выполнение соединений в микросхемах. Применяется несколько схем монтажа полупроводниковых приборов и интегральных схем, в которых для соединения используются различные способы микросварки.

Наиболее широко распространенной схемой монтажа является соединение контактных площадок полупроводникового кристалла прибора, полученного по пленарной технологии, с внешними выводами корпуса с помощью гибких проводников. Один конец круглого проводника из алюминия или золота диаметром 10—300 мкм должен быть приварен к тонкой металлической пленке из алюминия или золота, напыленной на окисленный кремний, а другой — к золоченому или алюминированному ковару или к золоченой толстой пленке на керамическом основании корпуса.

При сборке кремниевых бескорпусных диодов плоские медные золоченые выводы присоединяют непосредственно к полупроводнику микросваркой давлением с образованием эвтектики.

При сварке термокомпрессией, косвенным импульсным нагревом и ультра-П) звуком можно применять все варианты монтажа. При односторонней контактной сварке приемлемой является только сварка внахлестку по первым двум вариантам.

В гибридных интегральных схемах гибкие проводники сваривают с металлическими пленками (тонкими и толстыми), напыленными или выращенными гальванически на диэлектрических подложках (ситалл, поликор, алюмокерамика).

Разработаны и начинают широко применяться в промышленности беспроволочные методы монтажа интегральных схем, позволяющие максимально автоматизировать процессы их сборки. Беспроволочный монтаж выполняется по нескольким схемам, отличающимся конструктивным исполнением соединяемых элементов.

Наибольшее развитие получил способ монтажа лепестковых («паучковых») выводов к кристаллу и внешним выводам корпуса или контактным площадкам керамической подложки.

Все способы беспроволочного монтажа разрабатывались в первую очередь с целью повышения производительности и надежности микросхем и снижения стоимости сборки и монтажа ИС и ГИС.

Монтаж навесных элементов с плоскими выводами в схемах на печатных платах выполняется несколькими способами сварки (или сварки-пайки) по двум вариантам: сварка плоских выводов приборов с токоведущими дорожками диэлектрической подложки или с штырями, запрессованными в отверстия платы.

При монтаже навесных элементов на печатные платы могут быть применены следующие способы микросварки давлением: двусторонняя контактная точечная; односторонняя точечная сдвоенным электродом; ультразвуковая.

Из-за отклонения размеров выводов, токоведущих дорожек на подложке, толщины покрытия и т.д. для сварки плоских выводов обязательно применяют автоматическую подстройку режима в процессе сварки.

Параметры режимов сварки и свариваемость материалов микросхем. Свойства микросварных соединений, выполненных различными способами микросварки, зависят от следующих основных групп факторов:

сочетания свариваемых материалов, стабильности их механических свойств и состояния соединяемых поверхностей;

воспроизводимости параметров процесса сварки и эффективности применяемых систем регулирования и управления; типа рабочего инструмента, обеспечивающего получение сварных соединений необходимой формы.

Трудности создания соединений в электронных микросхемах заключаются в специфике элементов и особенностях контактируемых пар: чрезвычайно большая разница в толщинах соединяемых элементов (проводники диаметром 20—750 мкм и пленки толщиной < 1 мкм) и большое различие физических свойств свариваемых элементов.

Для сварки проводников с тонкопленочными контактными площадками, напыленными на разнообразные подложки, применяется несколько способов в зависимости от сочетания свариваемых материалов выводов и контактных площадок.

При сварке проводников с металлическими пленками на изоляционных подложках из стекла, ситалла, керамики необходимо создать такой цикл нагрева свариваемых деталей, при котором не происходит разрушения подложки в зоне в результате термического удара.

При монтаже выводов навесных элементов на печатные платы, которые нельзя нагревать до высокой температуры, требуется выполнять сварку при минимальной длительности импульса (менее 3—5 мс).

Наиболее распространенным способом соединения при монтаже приборов в корпусе проволочными выводами остается термокомпрессия.

При термокомпрессии круглых проводников с металлическими пленками существует область оптимальных параметров режима (температура и усилие сжатия), в которой обеспечивается максимальная прочность сварных соединений. Величина этой области зависит от сочетания свариваемых материалов и типа рабочего инструмента.

Советуем подписаться на наши страницы в социальных сетях: Facebook | Вконтакте | Twitter | Google+ | Одноклассники

Читайте также: