Монтаж кристаллов на легкоплавкий припой

↑

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 6Следующая ⇒

Виды выводов.

Создание между контактными площадками кристаллов и корпусов с помощью электродных выводов надежного при различных условиях эксплуатации электрического контакта является важным технологическим процессом производства полупроводниковых приборов и ИМС. Присоединение тонких алюминиевых или золотых проволочек — электродных выводов — до настоящего времени остается малопроизводительной, трудоемкой и низконадежной операцией, которую выполняют на специальных установках с визуальным наблюдением и ручным ориентированием инструмента, проволоки и мест присоединения, и отдельных случаях стоимость присоединении электродных выводов составляет до 50 % стоимости ИМС. Половина все: отказов ИМС происходит из-за нарушения электрической контакта.

Методы присоединения электродных выводов можно разделить на проволочные и беспроволочные. К проволочным - наиболее распространенным методам — относятся термокомпрессионная (термокомпрессия), ультразвуковая и микроконтактная сварка, а также пайка, которые будут подробно рас смотрены в следующих параграфах. Ознакомимся с беспроволочными методами, имеющими незначительное применение но являющимися перспективными. К беспроволочным мето дам (отсутствие проволочных электродных выводов) относят монтаж перевернутого кристалла (флип-чип) и кристалл с балочными выводами.

При монтаже перевернутого кристалл (Рисунок 3, а) вместо проволочных выводов используют выступ*

Рисунок 3. Монтаж перевернутого кристалла: а — с выступами, б - с шариками; 1 - кристалл, 2 - выступы, 3 - плата, 4 - алюминиевая металлизация, 5 - пленка диоксида кремния, б - слои хрома, 7, 10 - припой, 8 - медный шарик, 9 - слой никеля (столбики) 2 высотой в десятые доли миллиметра, расположенные в определенных местах полупроводникового кристалла 1 Естественно, что все необходимые соединения на кристалл электрически связывают с выступами. Кристалл переворачиваю выступами вниз, опускают на плату 3 с точно расположенным участками металлизации 4, прикладывают давление и подводя теплоту для образования соединения выступов с платой.

Выступы на кристаллах могут быть изготовлены из низке температурного (мягкого) припоя, а также гальваническим осаждением алюминия или золота. В тех случаях, когда выступы получают гальваническим осаждением, кристаллы присоединяют термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой.

Монтаж перевернутого кристалла имеет несколько разновидностей. Например, в качестве выступов используют медные шарики (Рисунок 3,6). Для этого в кремниевом кристалле 1, имеющем контактные площадки, покрытые пленкой 5 диоксида кремния, изготовляют окна, в которые осаждают три слоя 6 (хрома, хрома с медью и хрома с оловом). Затем на них наносят оловянистый припой 7 и укладывают медный никелированный шарик 8, который закрепляют оплавлением мягкого припоя 10. При совмещении такого выступа с предварительно облуженной контактной площадкой платы 3 и последующем нагреве с приложением давления к кристаллу происходит пайка, обеспечивающая надежное соединение.

Кроме того, применяют монтаж кристаллов, при котором выступы из мягкого припоя имеют контролируемую осадку (Рисунок 3, а-д). В пленке 2 диоксида кремния изготовляют окна, в которые гальванически на слой металлизации 3 осаждают припой 1 (Рисунок 3, а). При нагревании кристалла 4 припой принимает форму сферического выступа 5 (Рисунок 3,6).

Затем кристалл переворачивают выступом вниз (Рисунок 3, в), совмещают с платой 7 и нагревают. Выступ расплавляется и взаимодействует с предварительно нанесенным на плату припоем 6 (рис 3, г.) образуя столбик 8 припоя (Рисунок 3, д).

Рисунок 3. Монтаж кристалла с контролируемой осадкой выступов:

а, б - нанесение гальваническим способом припоя и оплавление его, в - переворачивание кристалла, г - нанесение припоя на плату, д - монтаж кристалла на плату; 1,5- припой, нанесенный на кристалл и оплавленный, 2 - пленка диоксида кремния, 3 - слой металлизации, 4 — кристалл, 6 - припой, нанесенный на плату, 7 - плата, 8 - столбик припоя

Силы поверхностного натяжения расплавленного припои устанавливают кристалл точно на свое место. Так как остальные поверхности кристалла и платы закрыты пленкой 2 диоксиде кремния, не смачиваемой припоем, кристалл припаивается т некотором расстоянии от платы, что исключает закорачивание выступов.

Достоинством монтажа перевернутого кристалла является то, что все соединения выполняются одновременно. Это повышает также ю надежность. Кроме того, использование при монтаже мягкого припое облегчает демонтаж бракованных кристаллов. Пластичность мягкой припоя частично компенсирует температурные напряжения в соединении

Однако этот метод монтажа довольно дорог, так как сложны операции подготовки кристаллов и плат, не обеспечивает хороший теплоотвод от кристаллов и- возможны локальные перегревы вследствие некоторой разницы температур в процессе монтажа. При нарушении технологического процесса сборки могут образовываться короткие замыкания между кристаллами и платами;

При монтаже кристаллов с балочным! выводами, выходящими за их габарит (Рисунок 4,а), гребенчатое расположение выводов экономит площадь полупроводниковых подложек. Кристалл 2 с балочными выводами 1 обычно присоединяют к слою металлизации 3 на плате 4 термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой. Балочные выводы получают на подложках, еще не разрезанных на кристаллы (по групповой технологии). Для этого на поверхности подложек со структурами создают в пленке диоксида кремния окна, в которые наносят золото, образующее балочные выводы, а затем трав­лением разделяют подложки на отдельные кристаллы.

Разновидностями монтажа кристаллов с балочными выводами являются паучковое соединение и соединение, получаемое напылением балочных выводов.

Паучковое соединение (Рисунок 4, б) целесообразно применять, когда выводов более десяти. Балки в виде паучка 5 вырубают из ленты алюминиевой фольги, накладывают на подложку 6 и присоединяют, например термокомпрессией, к контактным площадкам. Затем разделяют паучок на отдельные выводы и монтируют ИМС в перевернутом виде в аппаратуре.

Рисунок 4. Монтаж кристаллов с балочными выводами: а - конструкция кристалла, б - паучковое соединение, в, г -балочные выводы, изготовленные напылением на столбиках и на плате; 1 - балочные выводы, 2 - кристалл, 3 - слой металлизации, 4 - плата, 5 - паучок, 6 -г подложка, 7 - пластмассовая пленка, 8 - столбик, 9 — металлическое основание

При соединении, получаемом напылением балочных выводов (Рисунок 4, в)., после выполнения всей пленочной разводки на нужных местах плат создают столбики 8, монтируют между ними кристаллы 2, которые накрывают сверху пленкой термопластичного материала (например, фторированным этилен-пропиленом) 7 и получают фотолитографией в пластмассе окна, оставляя незащищенными столбики и лицевые поверхности кристаллов. Затем вакуумным напылением в окна наносят золотую металлизацию (балочные выводы Г), соединяющую кристаллы со столбиками.

Балочные выводы можно получать также на плате (Рисунок 4, г). Для этого предварительно напылением и фотолитографией создают на плате 4 пленочные балочные выводы, а также отверстия, в которые помещают кристаллы 2, присоединяя их нижнюю сторону к металлическому основанию 9 (это способствует улучшению теплоотвода), а верхнюю соединяют термокомпрессией с балочными выводами.

Достоинствами монтажа кристаллов с балочными выводами являются улучшение условий теплоотвода, отсутствие разрушений кристаллов, так как давление прикладывается к балочному выводу; а также возможность визуального контроля.

В то же время такой монтаж в 2 раза дороже монтажа перевернутых кристаллов, так как требуется дополнительная металлизация и не допустимы даже незначительные отклонения плат от плоскостности. Кроме того, балочные выводы легко изгибаются (их сечение обычно равно 13x76 мкм), но иногда ломаются.

Необходимо отметить, что беспроволочные соединения целесообразно применять в массовом производстве при выпуске полупроводниковых приборов и ИМС не менее нескольких миллионов.

Наиболее распространенной причиной катастрофического отказа IGBT транзисторов является вторичный пробой, который может развиваться в приборах даже при их эксплуатации с запасами по коммутируемому току, рабочему напряжению и средней величине рассеиваемой мощности. Основная причина снижения устойчивости IGBT к развитию вторичного пробоя является наличие локальных участков структуры с аномально высокой температурой (‖горячие пятна‖) и повышенное тепловое сопротивление перехода кристалл-корпус за счет дефектов в припое под кристаллом, уменьшающих эффективную площадь сечения активной структуры и затрудняющих распространение теплового потока за пределы кристалла. Все это приводит к перегреву кристалла и изменению уровня электрических параметров. Поэтому особое внимание уделяется оптимизации конструктивно-технологических факторов и технологического процесса монтажа кристаллов с целью повышения эксплуатационной надежности. Кристаллы мощного IGBT транзистора, поступившие на сборку (рис.3), имели два вида металлизации – Ti-NiV-Ag и V-Au на непланарной стороне по следующему маршруту: шлифовка, отмывка, обработка в 1 растворе HF, напыление металлизации, измерение электропараметров, контроль внешнего вида. Напыление металлизации Ti-Ni-Ag осуществлялось магнетронным способом на установке ‖Магна 2М‖ с толщиной слоев: Ti – 0,1 0,05 мкм; Ni – 0,5 0,1 мкм; Ag – 0,6 0,1 мкм. Напыление металлизации V-Au проводилось на установке «Оратория 9». Напыление золота толщиной 1,75 мкм выполнялось термическим испарением с использованием резистивного испарителя. После разбраковки транзисторных структур по электрическим параметрам и внешнему виду пластины поступали на уча- 7 сток малой сборки, где проводился комплекс операций, связанных с разделением пластин на кристаллы (рис. 4).

Рис.3. IGBT в корпусе ТО-254:1 –внешние вывода; 2- проволочные перемычки; 3 -кристалл; 4 –термокомпенсатор; 5 –основание корпуса

Рис. 4.- Схема процесса разделения пластин на кристаллы

Разделение пластин на кристаллы выполнялось на автомате ЭМ-2005 методом сквозной дисковой резки. Режим – встречно-попутный со скоростью подачи 50 мм/с. Алмазный диск ДАР-4В-3 с шириной режущего лезвия 30 мкм. В качестве адгезионного носителя использовалась лента-спутник марки ЛС с клеящим слоем толщиной 20 мкм. После резки автоматически выполнялась отмывка пластин с последующим контролем по внешнему виду. Затем годные кристаллы снимались с адгезионного носителя и размещались ориентировано в специальной кассете. Монтаж кристаллов в корпус выполняли двумя способами: пассивным и активным. При пассивном монтаже пайка кристаллов проходила в конвейерной водородной печи ЖК-4007 с использованием кассетной технологии сборки. В процессе пайки на кристалл действовали только силы смачивания расплава и он находился в состоянии пассивного равновесия под действием сил поверхностного наРулон ленты с адгезионным носителем Формирование спутниканосителя Пластины (пакет) Наклейка пластин на спутник Дисковая резка Контроль качества Снятие спутниканосителя Отмывка 8 тяжения расплава припоя. В активном способе пайка кристаллов выполнялась на автоматизированном оборудовании типа ЭМ-4085-03 заданием специальной траектории движения кристалла при определенных значениях амплитуды колебаний и количества периодов колебаний по осям Х и У. Для пайки кристаллов в конвейерной водородной печи с применением кассетной технологии использовались два типа припоев ПОС-10 и ПСрОСу-8. Были изготовлены припойные прокладки с толщиной: 30, 50 и 100 мкм. Сущность кассетной технологии пайки заключается в следующем: в кассету специальной конструкции укладывается корпус; трафарет с окнами для укладки в них кристаллов; кристалл сверху поджимается специальными грузиками. Собранная в таком виде кассета с кристаллами устанавливается на конвейер печи. Пайка выполнялась при следующих температурных режимах: 1 вариант – 360 о С; 2 вариант - 400 о С; 3 вариант - 450оС. Для каждого температурного режима получено распределение температуры по длине канала печи с использованием термопары XК и прибора ПП-63 (рис. 5). Поскольку градиент температур значителен и составляет 90–100оС/мин, а время нахождения каждого из кристаллов в зоне напайки 4–4,5 мин, то резкое снижение температуры после напайки приводит к образованию мелкокристаллической структуры припоя, но при этом могут возрастать механические напряжения в активной структуре из-за различия в ТКЛР системы кремний – припой – основание выводной рамки (медь). Наличие короткого канала печи не позволило снизить градиент температур при указанных температурных режимах

Рис. 5. Температурно – временной режим пайки в печи ЖК4007

Исследованиями установлено, что паяный шов по периметру кристаллов не имеет несмоченных участков, пор, каналов практически на всех кристаллах. С ростом температуры растекание припоя по кристаллодержателю увеличивается. Характер растекания припоев ПОС10 и ПСрОСу-8 по поверхности кристаллодержателя несколько отличается. Микрозондовым рентгеноспектральным анализом на ―STEREOSKAN-360‖ выявлено более равномерное распределение элементов припоя ПСрОСу-8 по толщине паяного шва. Для припоя ПОС10 выявлены участки, где обнаружено в основном олово без свинца. Это указывает на то, что в процессе пайки происходит расслоение элементов припоя ПОС10. При этом олово, как наиболее легкоплавкий элемент, при высокой температуре ―закипает‖, что способствует образованию пустот в паяном шве. 9 Для припоя ПОС10 характерно образование пустот большей площади, а для ПСрОСу-8 – наличие мелких, не связанных между собой пустот. При увеличении толщины припоя с 30 до 100 мкм размеры пустот уменьшаются для ПСрОСу-8, а для ПОС-10 пустоты остаются большими. Наличие несплошностей припоя под кристаллом может приводить не только к перегреву кристалла электрической мощностью, но и к росту внутренних механических напряжений. Внутренние механические напряжения в напаянных кристаллах определены на рентгеновском двухкристальном спектрометре ДТС-1 (рис. 6). Кристаллы, напаянные на припой ПОС-10, испытывают напряжения сжатия такие же, как и при использовании припоя ПСрОСу-8. При малой толщине припоя 30мкм максимальное напряжение для припоя ПСрОСу-8 и ПОС -10 увеличивается с 70 МПа для МД-40 до 180 МПа для меди. Такое различие обусловлено влиянием ТКЛР кристаллодержателя. С увеличением толщины припоя до 100 мкм внутренние напряжения сжатия снижаются до 40 МПа для обоих типов припоев и материалов кристаллодержателя. Для сплава МД–40 ТКЛР уменьшается, в результате чего механические напряжения в напаянном кристалле снижаются.

Рис. 6. Зависимость механических напряжений от толщины припоя: 1- кристаллодержатель медный, 2–- кристаллодержатель из материала МД-40;

Для компенсации больших внутренних напряжений, возникающих по причине неодинакового теплового расширения кремниевого кристалла и медного основания, в конструкциях корпусов мощных полупроводниковых приборов между кремнием и основанием корпуса вводят термокомпенсатор. Материал компенсаторов должен обладать ТКЛР, близким к ТКЛР кремния, выдерживать возникающие напряжения, иметь высокую теплопроводность и теплоемкость, а также незначительное электрическое сопротивление. Имея близкий по величине ТКЛР с кремнием, термокомпенсатор создает незначительные напряжения в кремнии, не превышающие его предел прочности, а поэтому при нагреве и охлаждении кремниевый кристалл не разрушается. В то же время материал термокомпенсатора должен обладать высокой механической прочностью, чтобы воспринимать с незначительной деформацией возникающие при нагреве и охлаждении между ним и медью высокие напряжения растяжения, сжатия и изгиба. 10 Указанными свойствами в некоторой степени обладают молибден и вольфрам, которые к тому же имеют довольно высокую температуру плавления, что делает их перспективными при возрастании предельных рабочих температур полупроводниковых приборов. Обычно термокомпенсаторы изготавливают в виде дисков различных диаметров и толщин. Свойства термокомпенсаторов из тугоплавких металлов зависят от способа их изготовления. Заготовками для термокомпенсаторов могут служить кованые прутки, прессованные диски или диски, вырубленные из листового материала. Кованые прутки после шлифовки до требуемого диаметpa разрезают на диски заданной толщины с помощью алмазных кругов. Применение термокомпенсаторов, изготовленных из кованых прутков, является предпочтительным, так как в этом случае термокомпенсаторы имеют гомогенную структуру без пор и расслоений, что создает наиболее благоприятные условия для их работы. Диапазон размеров термокомпенсирующих дисков лежит в пределах от 0,635 до 22,2 мм, а их минимальная толщина составляет 0,38 мм. Термокомпенсаторы, вырубленные штамповкой листового молибдена или вольфрама, не лишены недостатков. Механические свойства листового материала, изготовленного прокаткой, неодинаковые как в направлении прокатки, так и в направлении, перпендикулярном прокатке. Кроме этого, при вырубке термокомпенсаторов возможно расслоение металла, что свойственно штамповке. Указанное ограничивает широкое применение термокомпенсаторов, вырубленных из листа на штампах, несмотря на малую трудоемкость их изготовления. На фирме Demetron молибденовые диски вырубают, как правило, из листового материала, так как считают, что такой метод изготовления термокомпенсаторов гарантирует оптимальную плотность материала, отсутствие пор на поверхности. Края вырубленных дисков специально обрабатывают, а рабочие поверхности доводятся. В Западной Европе и США вольфрамовые термокомпенсаторы не получили распространения потому, что они не дают особых преимуществ по сравнению с молибденовыми и не оправдывают их высокую стоимость. Для улучшения условий смачивания припоем термокомпенсирующие диски перед их монтажом на медный фланец покрывают слоем никеля или драгоценных металлов (золото, серебро). Никелевое покрытие на листовой материал обычно наносят до вырубки дисков. При штамповке дисков из подогретого листового материала с покрытием необходимо, чтобы температура плавления покрытия была значительно выше температуры нагрева листового материала. Фирма Demetron в корпусах мощных транзисторов применяет молибденовые прокладки квадратной формы, которые с помощью твердого припоя припаивают к медному фланцу (основание корпуса), а кремниевый кристалл также припаивают к молибденовой прокладке золотым припоем (золото чистоты 99,999) толщиной 25 мкм. Молибденовые прокладки обычно имеют форму квадратов с размером сторон от 5x5 до 7x7мм и толщиной от 0,4 до 0,5 мм. Известно, что вольфрам и молибден с медью и серебром не образуют твердых растворов, а представляют собой смесь твердого и износостойкого металла (вольфрам, молибден) с мягким металлом, обладающим хорошей тепло- и электропроводностью (медь, серебро). Наибольшее применение имеют вольфрамомедные и молибденомедные псевдосплавы, а из них молибденомедные как более дешевые и легкие (по сравнению с вольфрамомедными в 2 раза) (табл. 1).

Таблица 1. - Свойства материалов и сплавов

Изменяя содержание молибдена в сплаве можно добиться снижения термических напряжений за счет согласования ТКЛР материала термокомпенсатора и напаиваемого кристалла. На рис. 7 показано влияние механических напряжений в напаянном кристалле от содержания молибдена в кристаллодержателе. Монтаж кристаллов большой площади на эвтектику Au-Si, приводит к значительному росту напряжений деформаций кристалла при использовании кристаллодержателя из меди. Добавка 40% молибдена к меди способствует снижению напряжений до 60-70МПа, а использование чистого молибдена снижает напряжения до 30-40МПа. Качество монтажа кристаллов на припой дополнительно оценивалось также контролем температуры перегрева кристалла Тj на измерителе при Jк= 2,5А, Uк= 40В и последующим определением переходного теплового сопротивления Rтпк переход-корпус. По полученным результатам построены гистограммы распределения приборов по величине Rтпк (рис. 8).

Рис. 7. Зависимости внутренних напряжений от содержания молибдена в сплаве материала кристаллодержателя при монтаже кристаллов на припой толщиной 100 мкм (1), на припой толщиной 10 мкм (2), на эвтектику (3)

Рис. 8. Гистограмма распределения приборов по величине Rтпк

Рис. 9. Зависимости теплового сопротивления от толщины припоя для кристаллодержатель из сплава МД-40 (1) и из меди (2)

Снижение толщины припоя до 10 мкм при использовании кристаллодержателя из меди привело к увеличению Rтпк , что обусловлено наличием сквозных пор в припое под кристаллом. При толщине 50 и 100 мкм сквозные поры в припое частично закрываются верхними слоями припоя, т.е. происходит экранирование пустот. Однако основной причиной роста теплового сопротивления при малой толщине припоя под кристаллом является влияние значительного отличия в ТКЛР кремниевого кристалла и кристаллодержателя, приводящее к образованию микротрещин в кристалле, которые задерживают передачу тепла от кристалла. Припой толщиной 30 мкм и более способствует компенсации термических напряжений и исключению трещин в кристалле и тепловое сопротивление при этом снижается, а затем частично растет из-за потерь тепла уже в толстом слое припоя. Исследовано влияние толщины пленки никеля на непланарной поверхности пластины на прочность паяных соединений. Были изготовлены варианты транзи- 13 сторных структур с подслоем Ti толщиной 0,05 мкм и различной толщиной никеля: 0,12; 0,27; 0,42; 0,6; 0,8 мкм. С ростом толщины слоя никеля механическая прочность паяного соединения резко возрастает. Начиная с толщины никеля, порядка 0,4 мкм и выше, прочность соединения, практически, не меняется. Рентгеноспектральным анализом установлено, что в процессе высокотемпературной пайки происходит физико-химическое взаимодействие компонентов припоя с металлом покрытия (Ni) и дополнительное растворение Ni в олове с образованием интерметаллидов SnxNiy. В процессе физико-химического взаимодействия припоя с Ni основную роль играют процессы диффузии. Поэтому для снижения диффузионного взаимодействия элементов припоя с никелем необходимо уменьшать температуру пайки. Однако при этом будет снижаться и механическая прочность паяного соединения. На скорость процесса диффузии помимо температуры оказывает влияние состояние металла. Искажения кристаллической решетки и появление вакансий, наличие пор, увеличивает диффузию зерен и вдоль дислокаций, что сопровождается увеличение диффузионной зоны и растворением никеля. Влияние толщины никеля на Rтпк отличается только в области малых толщин и, как было установлено выше, обусловлено растворением никеля в олове. В местах растворения никеля выявляются локальные области, в которых припой не смачивает поверхность кристалла. В результате этого через эти локальные области слабо происходит растворение тепла. Это приводит к дополнительному перегреву кристалла и повышению уровня Rтпк. При толщине никеля равной 0,55–0,8 мкм Rтпк практически не изменяется.

Познавательные статьи:



Психологические особенности спортивного соревнования

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Занятость населения и рынок труда

Социальный статус семьи и её типология