Изготовление системы объемных выводов.

Для формирования объемных выводов стандартный процесс, который заканчивается осаждением защитной пленки SiO₂ и образованием в ней окон над монтажными площадками, дополняется рядом операций, выполняемых в групповой пластине, т.е. до разделения ее на отдельные кристаллы.

Для будущих круглых выводов окна в защитном окисле выполняют также круглыми диаметром 70мкм. Методом осаждения в вакууме на всю поверхность пластины наносят слой ванадия (для восстановления алюминия из поверхностного окисла и уменьшения контактного сопротивления) и меди (для замыкания всех выводов и возможности последующего гальванического наращивания). Толщина каждого из слоев - несколько десятых долей мкм (рис. 42,а). После формирования фотомаски, открывающей лишь участки будущих выводов, гальваническим методом выращивают слой меди толщиной порядка 50-60мкм. Используя ту же фотомаску, гальванически наносят слой серебра толщиной в несколько мкм. Серебро служит для защиты меди от окисления, а впоследствии - в качестве маски для стравливания тонкой меди и ванадия.

Далее (рис. 42,б) фотомаска удаляется, и последовательно стравливаются слои меди и ванадия (выводы электрически разобщаются). Наконец, горячим лужением (контакт пластины с расплавленным припоем) получают на выводах слой припоя. Во избежание растворения серебра оловом припоя в состав припоя ПОС-61 вводится за счет олова 3% серебра (припой ПСрОС-3-58).

Микросварка.

К микросварке прибегают при проволочном и ленточном монтаже. Ввиду малых толщин соединяемых элементов (порядка 1,5мкм для площадки и несколько десятков мкм для перемычки) сварка должна выполняться без расплавления соединяемых элементов. Таким образом, все разновидности микросварки представляют собой сварку давлением. В этом случае прочность соединения обеспечивается электронным взаимодействием соединяемых поверхностей и взаимодиффузией материалов в твердой фазе, что, в свою очередь, требует применения пластичных материалов и обеспечения плотного контакта на достаточно большой площади. Так как необходимую площадь контакта можно получить лишь за счет пластической деформации перемычки, к материалу последней предъявляются требования пластичности. Для облегчения пластического течения материала, а также для ускорения взаимодиффузии, во всех видах микросварки предусматривается нагрев зоны соединения до температуры ниже эвтектической (во избежание расплавления).

Таким образом, все виды микросварки характеризуются температурой в зоне соединения 300800°C и удельным давлением инструмента 100200 Н/мм². Конкретные значения режимов определяются материалом перемычки и видом микросварки.

В производстве нашли применение следующие разновидности микросварки: термокомпрессионная сварка (ТКС); сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН); электроконтактная односторонняя сварка (ЭКОС); ультразвуковая сварка (УЗС) (рис. 40).

Основная тенденция развития методов микросварки - локализация тепла в зоне соединения и уменьшение теплового воздействия на изделие в целом, что позволяет повысить температуру сварки и применять для перемычек менее пластичные материалы (например, медь). Способ нагрева зоны соединения находит свое отражение в конструкции сварочного инструмента, схематически представленного на рис. 40. Независимо от вида микросварки в случае проволочного монтажа инструмент должен быть снабжен "капилляром" для направления проволоки под рабочую часть инструмента (на рис. 40 показан только для ТКС).

Термокомпрессионная сварка.

При термокомпрессионной сварке соединение получается при одновременном воздействии на детали температуры и давления. В зоне контакта возникает пластическая деформация, способствующая устранению адсорбированных газов и остаточных поверхностных загрязнений.

При достаточном сближении начинается физическое взаимодействие атомов соединяемых материалов, за счет сил Ван-дер-Ваальса. Более прочные химические связи возникают вследствие нагрева и пластической деформации на участках чистой поверхности. Температура и давление взаимосвязаны. Их выбирают экспериментально из условия максимальной прочности. Температура в большинстве случаев составляет 300...400^оС. Тепло в зону сварки подают от рабочего столика установки, инструмента для термокомпрессии или от одновременно нагреваемых столика и инструмента. Продолжительность термокомпрессии изменяется от долей секунды до десятков секунд. Она зависит от качества подготовки поверхностей, свойств материалов, температуры и давления.

Давление передается на соединяемые материалы через сварочный инструмент, который имеет форму клина, капилляра или «птичьего клюва». После нагрева давление должно обеспечить деформацию провода в пределах 25...75 %.

Термокомпрессионная сварка имеет следующие достоинства: соединение деталей происходит без расплавления свариваемых материалов; прикладываемое давление не повреждает механически кристалл; соединения получаются без загрязнений.

Недостатками термокомпрессионной сварки является ограниченное число пар свариваемых материалов, высокие требования к качеству соединяемых поверхностей, сравнительно низкая производительность вследствие визуального совмещения.

Термокомпрессию применяют для образования соединений золото-золото; алюминий-золото.

Сварка с косвенным импульсным нагревом. Нагрев места соединение происходит рабочим инструментом. В момент соединения деталей через рабочий инструмент протекает электрический ток, разогревается его нижняя рабочая часть. Это снижает воздействие тепла на структуру микросхемы и позволяет сваривать менее пластичные материалы, например, медь, а также точнее регулировать величину и продолжительность нагрева свариваемых деталей. Температура рабочего инструмента зависит от приложенного к нему напряжения, и продолжительности импульса сварки. Режим сварки с косвенным импульсным нагревом характеризуется длительностью импульса, давлением сварного инструмента, температурой. Продолжительность сварки меньше, чем при термокомпрессионной сварке, так как тепло концентрируется на конце инструмента, что обеспечивает более эффективный нагрев места сварки. Это позволяет повысить производительность сварки.

Сварка сдвоенным электродом. Импульс электрического тока большой плотности пропускают через зону сварки и одновременно механически сжимают свариваемые детали. При прохождении электрического тока основная часть тепла выделяется в области максимального сопротивления, то есть в месте контакта свариваемых деталей. Выступы соединяемых поверхностей быстро нагреваются. Под действием сжатия они сближаются, и зона сжатия (соприкосновения) расширяется, сопротивление контакта, и плотность тока уменьшаются. Происходит пластическая деформация свариваемых поверхностей и их плавление. Подача тока прекращается, расплавленная зона не успевает распространиться на ближайшие участки и начинает охлаждаться, образуя сварной шов.

Материал электродов должен иметь высокие електро- и теплопроводность, высокую механическую прочность. Для электродов используют вольфрам, молибден, твердый сплав ВК-8.

Сварка сдвоенным электродом позволяет соединять золотой провод с золотой и алюминиевой пленками.

Основными преимуществами способа является небольшая зона нагрева и короткое время теплового воздействия, высокая производительность.

Недостатками способа являются возможны утечки электрического тока и тепловой удар.

Ультразвуковая сварка. Сварка осуществляют при условиях нормального давления и продольных колебаний инструмента с частотой ультразвука 20...60 кГц и амплитудой 0,5...2 мкм. Продолжительность импульса ультразвуковых колебаний 0,05...1,5 с. На соединяемые поверхности действуют сдвиговые усилия, в результате которых срезаются микронеровености, разрушаются оксидные пленки, а загрязнения и разрушенные оксидные пленки удаляются из зоны сварки. Пластическая деформация в зоне контакта происходит без специального подвода тепла. Нагрев и пластические деформации соединяемых деталей происходят по счет трения. В зоне сварки возникают непосредственно металлические связи, тем не менее это не вызывает структурных изменений материала.

Соединение провода происходит без значительных объемных деформаций, что позволяет уменьшить площадь контактных площадок. Этим методом можно соединять разнообразные материалы, которые тяжело сваривать другими способами.

Ультразвуковую сварку применяют для соединений алюминий-алюминий, алюминий-золото, медь-золото, золото-тантал.

Лазерная точечная сварка. Сварку осуществляют с помощью лазерного луча сфокусированного до диаметра 0,25...1мм. В зоне сварки металл провода плавится, а затем охлаждается и кристаллизуется. Температура внутри зоны сварки распределена неравномерно. Металл закипает, получается область высокого давления и может произойти термический взрыв. Для предотвращения выплеска металла из области сваривания используют небольшую мощность излучения и расходящийся лазерный луч, а зону сваривания размещают не в фокальной плоскости. Продолжительность импульса лазерного излучения должна быть меньше, чем время, необходимое для начала плавления материала пленки контактной площадки, и больше времени, нужного для плавления соединительного провода. Соединения, полученные способом лазерной сварки, имеют значительно меньшее переходное сопротивление, чем соединения, полученные сваркой давлением.

С помощью лазерного луча, возможно, проводить сварку вблизи элементов микросхем, стеклянных или керамических изоляторов. Лазерным лучом можно сваривать дистанционно в вакууме, в камерах повышенного давления, а также в других средах.

Электронно-лучевая сварка. В вакуумной установке электронный луч диаметром около 0,5мм расплавляет область контакта. Расплавление происходит за счет преобразования кинетической энергии электронов в тепловую энергию.

Основные преимущества способа: возможность сварки многих металлов и сплавов; небольшая зона термического влияния, возможность управления перемещением луча и автоматизация процессов сборки; дегазация сварного шва в вакууме.

Недостатками является высокая стоимость оснащения и продолжительность процесса получения вакуума.

Соединение проволочных выводов микропайкой. Этот способ применяют при изготовлении гибридных микросхем небольшой степени интеграции, если припой можно нанести групповым способом.

Таблица 14. Свариваемость материалов при различных методах микросварки.