6.9 Электрический монтаж кристаллов и плат

Электромонтаж бескорпусных кристаллов и плат ИМС заключается в электрическом соединении их контактных монтажных площадок с контактными монтажными площадками на поверхности коммутационных плат более высокого конструктивного уровня или с выводами корпуса. Как отмечалось, кристалл предварительно фиксируется на плате или основании корпуса с помощью клея или припоя. Групповая пластина до разделения ее на отдельные части может быть металлизирована со стороны противоположной структурам металлом, который хорошо смачивается припоем. Облуживанию подлежат и контактные площадки на плате, на которые устанавливаются кристаллы.

При электромонтаже используются гибкие проволочные, жесткие (шариковые или столбиковые) выводы, балочные и паучковые выводы.

К конструкциям соединений предъявляются требования:

• по величине и стабильности электрического сопротивления вывода и контактов;

• по механической прочности, виброустойчивости, антикоррозионной стойкости, совместимости материалов, конструкции вывода;

• по их физическим (термический коэффициент линейного расширения, значениям коэффициентов взаимной диффузии материалов друг в друге и др.) и химическим (отсутствие интерметаллических соединений, хорошая адгезионная способность) свойствам;

• по возможности применения групповых методов изготовления выводов и автоматизированной сборки микросхемы в корпус или на коммутационную плату.

Гибкие выводыизготавливают из золотой или алюминиевой проволоки диаметром 25...50 мкм или в виде лент толщиной 50–60 мкм и шириной более 50 мкм. На иллюстрации 6.29 приведена фотография исполнения электромонтажа кристалла проволочными проводниками. При проволочном электромонтаже перемычка формируется в процессе монтажа. После совмещения свободного конца проволоки с площадкой на кристалле (плате) производится сварка. После перемещения изделия и совмещения инструмента с другой площадкой производится сварка и обрезка проводника. Далее формируется перемычка следующей пары контактов.

При перемещении пла-ты с приваренным концом проволоки последняя сматывается с катушки неподвижной сварочной головки так, чтобы образовался небольшой избыток по длине. В результате упругости проволоки перемычка получает плавный изгиб вверх, который при температурных изменениях длины перемычки предотвращает замыкание ее на кристалл.

В современных установках для микросварки рабочий цикл сварки (контролируемые давление инструмента, нагрев, время выдержки) автоматизирован. Что касается вспомогательных приемов (перемещения, совмещения), то существуют установки с ручным перемещением изделия и визуальным совмещением с помощью микроскопа, а также установки с автоматическими программируемыми перемещениями в сочетании с системой «машинного зрения», освобождающей оператора от зрительного напряжения.

При проволочном и ленточном монтаже применяется специальный микросварочный инструмент. Ввиду малых толщин соединяемых элементов (порядка 1,5 мкм для площадки и несколько десятков мкм для перемычки) сварка должна выполняться без расплавления соединяемых элементов. Все разновидности микросварки представляют собой сварку давлением. 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 взаимной диффузии во всех видах микросварки предусматривается нагрев зоны соединения до температуры ниже эвтектической (во избежание расплавления). Все виды микросварки характеризуются температурой в зоне соединения (300800) °C и удельным давлением инструмента (100200) Н/мм².

В производстве нашли применение следующие разновидности микросварки (см. рис. 6.30):

• термокомпрессионная сварка (ТКС);

• сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН);

• электроконтактная односторонняя сварка (ЭКОС);

• ультразвуковая сварка (УЗС).

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 рисунке 6.30. Независимо от вида микросварки в случае проволочного монтажа инструмент должен быть снабжен «капилляром» для направления проволоки под рабочую часть инструмента (на рис. 6.30 показан только для метода ТКС).

В случае СКИН (см. рис. 6.30, б) разогрев зоны соединения осуществляется только в момент сварки. Это достигается V-об-разной конструкцией инструмента, через который пропускается амплитудно-модулированный импульс тока с несущей частотой 0,51,5 кГц. В результате температуру в зоне сварки можно повысить до 650 °C. Инструмент является частью электрической цепи и благодаря малому сечению рабочего конца инструмента выделяемое тепло концентрируется именно в этой части. При ТКС (см. рис. 6.30, а) нагреву подвергают все изделие или инструмент (или то и другое), обеспечивая температуру порядка 400 °C.

Инструмент для ЭКОС (см. рис. 6.30, в) состоит из двух частей, разделенных изолирующей термостойкой прокладкой, которые являются составной частью электрической цепи. Цепь замыкается при контакте электродов с перемычкой. Импульс тока проходит через свариваемый участок перемычки, причем тепло выделяется в зоне контакта. В установках для ЭКОС предусмотрено автоматическое измерение контактного сопротивления, регулирование по сопротивлению усилия и формирование параметров импульса тока, что повышает воспроизводимость характеристик соединения. Температура в зоне сварки может быть повышена до 800°C, что дает возможность применять и медные проводники.

Ультразвуковая сварка может выполняться без специально организованного нагрева, т.к. тепло, необходимое для повышения пластичности, выделяется в результате трения перемычки о площадку. Сварочный инструмент жестко закрепляется в концентраторе магнитострикционной головки (см. рис. 6.30, г) и вместе с ним совершает продольные колебательные движения, «втирая» перемычку в площадку. Частота ультразвуковых колебаний выбирается в пределах (2060) кГц, а амплитуда — (0,52) мкм. В таблице 6.7 приведены сведения по свариваемости материалов при различных методах микросварки.

Таблица 6.7

Материал контактной площадки

Метод сварки, материал проволоки

ТКС

СКИН

ЭКОС

УЗС

Au

Cu

Al

Au

Cu

Al

Au

Cu

Al

Аu

Cu

Al

Au

++

–

+

++

+

++

++

++

–

++

+

++

Cu, Ni

++

–

+

++

+

+

++

+

–

++

+

+

Al

++

–

+

+

–

+

+

+

–

+

–

++

Примечание: ++ — свариваются хорошо; + — свариваются удовлетворительно; – — не свариваются.

Этот вид электромонтажа применяется для конструкций кристаллов и плат с жёсткими выводами.

Достоинством проволочного монтажа является возможность размещения перемычек при произвольном расположении любого количества монтажных площадок на коммутационной плате, т.е. гибкость в процессе ее конструирования. Недостаток заключается в высокой трудоемкости монтажа, т.к. сварные соединения можно получать только последовательно, индивидуально.

Отказ от проволоки и переход к плоским ленточным перемычкам позволяет изготовить их заранее и одновременно вне кристалла методом избирательного травления (фотолитографии) ленты, однако взаимное расположение перемычек должно быть жестко предопределено расположением монтажных площадок на кристалле и плате. Ленточные перемычки толщиной 70 мкм остаются гибкими, поэтому для сохранения их взаимной ориентации они удерживаются в заданном положении изолирующими перемычками из полиимида. Таким образом, исходная лента для изготовления системы перемычек должна быть двухслойной: алюминий (70 мкм) и полиимид (40 мкм). Для исключения замыкания перемычек на кристалл их специально формуют перед монтажом. Преимущественно ленточный электромонтаж применяется в так называемых паучковых конструкциях, комментируемых далее по тексту.

Жесткие выводы (шариковые, столбиковые, балочные) имеют многослойную конструкцию (рис. 6.31). Нижний слой обеспечивает качественный контакт с контактной площадкой или полупроводниковой областью и качество адгезии к изоляционному материалу на поверхности кристалла. Верхний слой призван обеспечить высокую проводимость, качественный контакт к контактным площадкам платы и антикоррозийную защиту. Промежуточные слои выполняют роль буфера, устраняющего нежелательные взаимодействия между материалами слоев, ведущие к образованию интерметаллических соединений.

а — шариковый вывод; б — столбиковый вывод; в — балочный вывод.

1 — кремний; 2 — пленка окисла SiQ₂; 3 — проводник (Al); 4 — защитный слой боросиликатного стекла или пленка осажденного из газовой фазы SiO₂; 5 — контактный и адгезионный слои хрома (а), молибдена (б) титана или тантала (в); 6 — буферные слои меди (а), меди и серебра (б), молибдена (в); 7 — слой золота; 8 — слой припоя (а); 9 — медный шарик (а); золотой или медный стрлбик (б); 10 — слой никеля; 11 — слой золота

Рисунок 6.31

Для изготовления шариковых выводов после создания алюминиевых контактных площадок кремниевую пластину покрывают слоем боросиликатного стекла толщиной 1,5 мкм (рис. 6.31, а). В слое стекла с помощью фотолитографии над контактными площадками формируются окна, в которых поверх алюминия формируется многослойная система: хром — медь — золото — припой (оловянно-свинцовый). Пластины помещаются в гнезда кассеты, и на подготовленные контактные площадки помещаются медные шарики, покрытые двойным слоем никеля и золота. Кассета с пластиной нагревается в атмосфере водорода и происходит пайка шарика на контактные площадки. Наиболее «узким» местом в этом процессе является изготовление микрошариков и сборка кассеты.

Столбиковые выводы (см. рис. 6.31, б) изготавливаются из золота или меди, которые покрываются слоем серебра и оловянно-свинцовым припоем. Шариковые и столбиковые выводы формируются на кристаллах заранее и одновременно до разделения групповой пластины. В первом приближении они представляют собой выступы полусферической или цилиндрической формы высотой порядка 30–60 мкм. Облуженными должны быть и ответные монтажные площадки на коммутационной плате.

В отличие от проволочного и ленточного монтажа объемные выводы соединяют с площадками платы пайкой, а кристалл при этом оказывается в перевернутом положении, т.е. структурами вниз. Электромонтаж в этих конструкциях совмещается с монтажом. Кристалл, находящийся в кассете в ориентированном положении, забирается вакуумным присосом («пинцетом») и переносится в позицию монтажа с определенным зазором. В зазор вводится полупрозрачное зеркало, позволяющее оператору через микроскоп наблюдать одновременно площадки на плате и выводы на кристалле. После совмещения зеркало выводится из зазора, а присос опускает кристалл на плату и прижимает его. Из миниатюрного сопла подается горячий инертный газ, выполняющий одновременно функции нагревательной и защитной среды, затем холодный инертный газ, чем и заканчивается цикл монтажа.

К достоинствам монтажа с помощью жестких объемных выводов относится:

• сокращение числа соединений вдвое, что повышает надежность изделия при эксплуатации;

• сокращение трудоемкости за счет одновременного присоединения всех выводов;

• уменьшение монтажной площади до площади, занимаемой кристаллом;

• исключение предварительного механического монтажа кристалла.

Ограничением для использования данного метода является необходимость применения коммутационных плат на основе тонких пленок с использованием фотолитографии, т.е. высокого разрешения, т.к. размеры площадок и шаг их расположения на плате и кристалле должны совпадать.

Недостатком таких конструкций выводов является применение метода перевернутого кристалла при электромонтаже, который исключает возможность эффективного контроля качества монтажа и ухудшает условия отвода тепла от кристалла.

Этих недостатков лишены конструкции с балочными (рис. 6.31, в) и паучковыми (ленточными) выводами (рис. 6.32).

В одном из вариантов балочных выводов используется трехслойная система Ti-Pt-Аи. Балочный вывод имеет толщину 10–15 мкм, ширину около 100 мкм и длину за пределами кромки кристалла 150–200 мкм.

Расстояние между балочными выводами на периферии кристалла 100–200 мкм. Балочные выводы позволяют осуществлять простой визуальный контроль качества монтажа кристаллов к контактным площадкам коммутационной платы с её лицевой стороны, существенно упрощается технологический процесс группового монтажа кристаллов. Недостатком применения балочных выводов является существенное усложнение технологического процесса разделения полупроводниковых пластин на отдельные кристаллы.

В других вариантах конструкций балочных выводов используются системы металлизации PtSi-Ti-Pt или Al-Ti-Mo-Аи. Контакт, адгезионный и буферный слои наносят методом тонкопленочной технологии, а платиновые или золотые балки наращивают из растворов электролитов.

Паучковые выводы (см. рис. 6.32) формируются механическим (вырубка) или химическим (локальным травлением с использованием фотолитографии) способом из тонкой 25–75 мкм медной, коваровой или алюминиевой фольги с золотым или никелевым покрытием. Число и расположение выводов соответствует числу и расположению контактных площадок микросхемы, с которыми они будут соединены. До и в процессе присоединения к контактным площадкам паучковые выводы составляют единое целое с металлической рамкой или лентой, в которой они сформированы. После индивидуального или одновременного группового присоединения всех выводов к контактным площадкам кристалла вслед за герметизацией кристалла обрамляющие части рамки обрубаются.

Для удобства монтажа и электромонтажа, внедрения автоматизации групповых процессов сборки и контроля кристаллов применяются гибкие ленточные кристаллоносители. Ленточные кристаллоносители на основе применения полиимида выполняются двух- или трехслойными.

Двухслойный носитель выполняется нанесением на медную металлическую фольгу толщиной 20–30 мкм полиимидного лака с его последующей полимеризацией. Рисунок формируется избирательным химическим травлением металлической фольги и полиимида. Фрагмент размещения кристалла на носителе изображён на рисунке 6.33.

В трехслойном носителе на пленку из полиимида наносится слой адгезива на основе эпоксидов (акрила или полиэфирных), и после разрезания пленки на ленты в ней пробиваются краевая перфорация, отверстия под кристаллы и балочные выводы. Лента наклеивается на металлическую фольгу (с кратковременным температурным воздействием и механическим усилием), и выполняется избирательное травление металлической фольги для формирования паучковых выводов с последующим осаждением защитного покрытия из олова, никеля или золота.

После монтажа кристаллов на носитель и контроля их параметров производится автоматическая вырубка кристаллов с выводами носителя, перенос и электромонтаж кристаллов на плате согласно рисунку 6.34.

1 — лента-носитель с кристаллами; 2 — несущее основание;

3 — многослойная полиимидная плата

Рисунок 6.34

При использовании технологии монтажа и электромонтажа с непрерывной металлической ленты возможна вытяжка тонкой фольги и образование механических повреждений, перегибов паучковых выводов. Для ослабления последствий этого явления, увеличения механической прочности системы проводников выводной рамки, удобства тестирования и сборки применяют конструкции с использованием гибкого носителя (см. рис. 6.35). На рисунке 6.35 приняты следующие обозначения: 1 — столбиковый вывод; 2 — паучковый вывод (Al или Cu); 3 — полиимидная плёнка-носитель; 4 — кристалл; 5 — контактные площадки контроля ИС и соединений; 6 — перфорационные отверстия; 7 — защитное покрытие.

Гибким диэлектрическим носителем служат ленты из полиимида, лавсана, полиэфира толщиной 40–120 мкм с перфорацией для осуществления автоматической подачи кадров этой ленты при формировании рисунка паучковых выводов в нанесенной на гибкую ленту-носитель медной или алюминиевой фольги. Чаше других используются конструкции паучковых выводов, сформированные на основе полиимидной пленки толщиной 40–50 мкм с накатанной на пленку медной фольгой толщиной 35 мкм. Для закрепления фольги на пленке перед накаткой на ленту наносят специальные клеи или адгезивы. Помимо перфорированных отверстий в полиимидной пленке локально протравливают сквозные отверстия, над которыми нависают внешние концы паучковых выводов и через которые осуществляется присоединение паучковых выводов микросхемы к коммутационной плате при сборке аппаратуры. Для контроля параметров микросхемы на концах выводов предусматриваются контактные площадки.

Присоединение паучковых выводов к кристаллу ИС приходится проводить с использованием промежуточных жестких шариковых или столбиковых выводов из-за невозможности присоединения плоского вывода к контактной площадке через окно в слое защитного диэлектрика. Перспективна конструкция паучковых выводов, на внутренних, обращенных к кристаллу концах которых имеются вытравленные выступы 2 толщиной около 30 мкм (см. рис. 6.36). Благодаря этим выступам отпадает необходимость в формировании жестких выводов (шариковых или столбиковых) на кристалле. На внешних концах паучковых выводов могут фор-мироваться утолщения вывода 1 до 60–70 мкм, повышающие его жесткость.

Использование ориентированных ленточных перемычек позволяет существенно снизить трудоемкость монтажа. Во-первых, для совмещения всей системы перемычек с кристаллом достаточно совместить две пары «перемычка-площадка», расположенных по диагонали. После приварки всех перемычек кристалл с системой перемычек переносится на плату и аналогично производится совмещение свободных концов с площадками платы и их приварка. Во-вторых, появляется возможность одновременной (групповой) приварки всех перемычек, расположенных в одном ряду. Из рассмотренных способов для групповой сварки могут быть использованы термокомпрессионный и ультразвуковой способы.

К недостатку ленточных конструкций следует отнести ограничения, накладываемые на конструкцию коммутационной платы и самого кристалла по числу и расположению монтажных площадок. Для смягчения этого недостатка предусматривается нормирование размерных рядов перемычек, отличающихся числом и шагом расположения.

Обычно внешние выводы микросхемы присоединяются к контактным площадкам, расположенным на рабочей (стороне расположения элементов) поверхности кристалла. Недостатками такого расположения являются: большая площадь кристалла, занимаемая контактными площадками (см. рис. 2.19.1, 2.19.2), деградация параметров и снижение надежности микросхем при присоединении внешних выводов, неудобства контроля качества сборки и электромонтажа бескорпусных микросхем на коммутационных платах.

Современными технологиями поддерживается ряд вариантов выноса контактных площадок на нерабочую сторону кристалла с применением проводящих каналов через толщу кристалла. Эти варианты реализуются по методу термомиграции и по методу лазерного прожигания отверстий (см. рис. 6.37).

Пометоду термоми-грации каналы создаются проплавлением алюминия через кремниевую пластину под действием градиента температуры, для чего на рабочую сторону пластины в местах планируемого про-плавления наносятся пло-щадки алюминия. Градиент температуры в пластине создаётся путем односто-роннего нагрева её нерабо-чей поверхности до температуры выше 577 °С. Термомиграция проводится при температуре 1100–1300 °С с градиентом температуры по толщине пластины 50–150 °С/см. На поверхности пластины в месте контакта алюминия с кремнием образуется зона жидкого эвтектического сплава, которая перемещается в направлении более горячей стороны пластины. В результате термоградиентной зонной миграции (ТГЗМ) в кремнии n-типа образуются каналы р⁺-типа с выходами на нерабочую сторону подложки (см. рис. 6.37, а). Скорость ТГЗМ при 1100 °С и градиенте температуры 50 °С/см составляет около 3 мкм/мин. Увеличение поперечного размера проводящего канала составляет 3–5 мкм при толщине пластины 200–400 мкм. Концентрация примеси (Al) в канале приблизительно соответствует уровню растворимости алюминия в кремнии при эвтектической температуре, что соответствует удельному сопротивлению в канале ρ = 0,005 Ом∙см. Проводящие каналы следует формировать до начала формирования элементов в полупроводниковой микросхеме, однако проблемой является перераспределение примеси в канале. Поэтому для получения каналов n-типа в кремнии р-типа в качестве легирующего и создающего движущуюся жидкую зону материала используется альтернативный сплав олово-сурьма.

По методу лазерного прожигания отверстий прожигаются сквозные отверстия в сапфировых (см. рис. 6.37, б) или кремниевых подложках Ø 200 мкм. Отверстия заполняются жидким проводящим материалом за счет капиллярного эффекта. В кремниевых пластинах перед заполнением отверстий проводящим материалом стенки легируют подходящей примесью, с тем чтобы изолировать проводящие каналы от подложки с помощью р-п-пе-рехода (см. рис. 6.37, в).

Создание сквозных проводящих каналов, соединяющих рабочую и обратную стороны кристалла, позволяет осуществить соединение кристаллов в этажерочную конструкцию. Благодаря этому можно перейти к созданию микроэлектронной аппаратуры в виде этажерочных микромодулей на новом уровне, когда каждый этаж будет содержать не отдельный радиоэлемент, а функциональное устройство в виде больших (БИС) или сверхбольших ИС (СБИС).