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 взаимной диффузией 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).

Таким образом, 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: термокомпрессионная сварка (ТКС); сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН); электроконтактная односторонняя сварка (ЭКОС); ультразвуковая сварка (УЗС) (рис. 9).

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. 8. Независимо от вида микросварки в случае проволочного монтажа инструмент должен быть снабжен "капилляром" для направления проволоки под рабочую часть инструмента (на рис. 8 показан только для ТКС).

Рис. 9. Виды микросварки: а) ТКС; б) СКИН; в) ЭКОС; г) УЗС.

При ТКС (рис. 9,а) нагреву подвергают все изделие или инструмент (или то и другое), обеспечивая температуру порядка 400°C.

В случае СКИН (рис. 9,б) разогрев зоны соединения осуществляется только в момент сварки. Это достигается V-образной конструкцией инструмента, через который пропускается амплитудно-модулированный импульс тока с несущей частотой 0,5-1,5кГц. В результате температуру в зоне сварки можно повысить до 650°C.

Инструмент для ЭКОС (рис. 9,в) состоит из двух частей, разделенных изолирующей термостойкой прокладкой, которые являются составной частью электрической цепи. Последняя замыкается лишь при контакте с перемычкой. Таким образом, импульс тока проходит через свариваемый участок перемычки, причем тепло выделяется в зоне контакта. Температура в зоне сварки может быть повышена до 800°C, что дает возможность применять медные перемычки.

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 (рис. 9,г) и вместе с ним совершает продольные колебательные движения, "втирая" перемычку в площадку. Частота ультразвуковых колебаний выбирается в пределах 20-60кГц, а амплитуда - 0,5-2мкм.

_______________________________________________________________

Типы корпусов и технология их производства

Керамические корпусы обычно применяют для герметизации современных приборов, где требуется максимальная надежность. Процесс формирования многослойной заготовки из тугоплавкой керамики начинается с подготовки керамической пасты и протекает в следующей последовательности:

• Отливка

• Формирование заготовки корпуса

• Трафаретная печать

• Образование многослойной структуры

• Перфорирование

• Спекание

На первом этапе готовят жидкую пасту из керамического порошка и жидкой компоненты (растворитель и смола-пластификатор). Затем из этой пасты отливают тонкие листы, пропуская над ней сглаживающее лезвие. После сушки листы разрезают в соответствии с необходимыми размерами. Далее механическим путем пробивают в них сквозные отверстия (отверстия в диэлектрических слоях, через которые осуществляются межкомпонентные соединения) и углубление для кристалла, наносят на поверхность проводящие дорожки (обычно пасту на основе порошка вольфрама) и заполняют сквозные отверстия металлом. Некоторые пластины спрессовывают друг с другом с помощью зажимного приспособления с точным совмещением. Готовая структура подвергается отжигу при температуре 1600°С для образования монолитного спеченного материала.

После отжига пластина готова для заключительных операций по присоединению выводов и металлизации. Для подготовки к пайке выводов на вольфрам наносят никель. Выводы изготавливают из сплава Fe-Ni-Co, называемого коваром, пайку выводов осуществляют эвтектическим сплавом серебро-медь. Все внешние металлические поверхности подвергаются гальванической или электролитической обработке (обычно наносят золото на никель) для повышения качества соединения и защиты от окружающей среды. Многослойные керамические корпусы могут иметь размеры до 100x100 мм с допуском ±0.5% и содержать до 30 слоев.

Технология производства керамических корпусов очень эффективна для конструирования сложных корпусов с большим числом сигнальных, заземляющих, питающих, соединительных и герметизирующих слоев. Однако ей присущи три недостатка: трудность получения необходимых допусков размера корпуса из-за большой усадки во время обработки; высокая диэлектрическая проницаемость керамики ( = 9,5) и недостаточная теплопроводность Al₂O₃. Проблема допусков затрудняет использование краевой области пластины, высокая диэлектрическая проницаемость оказывает вредное воздействие на емкостную нагрузку сигнальной линии. Замена Al₂O₃ на BeO значительно улучшает тепловые характеристики и уменьшает диэлектрическую проницаемость корпусов.

Технология производства прессованных пластмассовых корпусов

Пластмассовые корпусы обычно применяют для приборов, где преобладающим фактором является стоимость и не требуется высокая герметичность. Для успешного изготовления формовочной смеси необходимо выбрать соответствующий материал для прессования, который удовлетворял бы требованиям надежности прибора, и надлежащим образом управлять самим процессом прессования. Кроме того, большое значение имеет полная автоматизация процесса сборки (в частности, монтажа кристалла), выполнения проволочных соединений и операции прессования.

Двумя основными типами приборов в пластмассовых корпусах являются прибор с корпусом, прессуемым из пластмассы после сборки, смонтированный в плоском корпусе с двухрядным расположением вертикальных выводов, и прибор с предварительно спрессованным из пластмассы корпусом, например, кристаллодержатель. Для герметизации приборов с прессованием корпуса после сборки используют термореактивные кремнийорганические соединения и эпоксидные смолы; при этом запрессовка комплекса выводная рамка-кристалл производится после присоединения кристалла к выводной рамке. Процесс прессовки пластмассой после сборки не является достаточно технологичным. Для того чтобы избежать контакта кристалла и его проводников или соединения на ленточном носителе с вязкой формовочной смесью, была разработана технология изготовления предварительно спрессованного из пластмассы корпуса. Согласно этой технологии, предварительно прессуют корпус, а затем выполняют монтаж кристалла и межкомпонентные соединения. Для прессования могут использоваться термореактивные материалы или термопластичные полимеры, такие как полифениленсульфид.

Для герметизации ИС обычно используют эпоксидные смолы и кремнийорганические соединения. Эпоксидные новолачные клеи в настоящее время являются более предпочтительными из-за их термостойкости, связанной с тем, что каждая повторяющаяся группа содержит эпоксидный радикал. В процессе синтеза смолы в качестве побочного продукта образуется хлорид натрия. Ионы натрия и хлора оказывают вредное воздействие на надежность прибора, и поэтому, эти побочные продукты должны быть тщательно отделены от смол перед составлением искомой формовочной смеси.

Специальные вопросы герметизации

Очистка поверхности кристалла

Наиболее критичной стадией, которой подвергается кристалл, является очистка перед монтажом, герметизирующим покрытием и окончательной герметизацией крышки корпуса. Процесс очистки должен быть химически совместим с металлическими слоями на поверхности кристалла. При очистке обычно преследуют две цели. Первая - удаление органических частиц, которые могут повлиять на качество соединения; для этого обычно требуются органические растворители. Вторая - удаление ионов, которые вызывают коррозию во время эксплуатации прибора или приводят иногда к накоплению поверхностного заряда. Вода является превосходным растворителем для ионных частиц.

Герметизация крышки корпуса

Основной целью герметизации корпуса является защита от внешних загрязнений во время функционирования прибора. Любые загрязнения, присутствующие на поверхности кристалла, должны быть удалены до приемлемого уровня перед герметизацией или во время этой операции. Корпусы могут быть герметизированы стеклом, металлами или полимерами. Использованное здесь определение герметичности подразумевает не только выдерживание испытаний корпусом на вакуумную утечку, но и исключение возможности загрязнения из окружающей среды в течение длительного времени.

Почти для всех высококачественных корпусов герметизацию выполняют стеклом или металлом. Ранее герметизацию стеклом использовали для керамических плоских корпусов с двухрядным расположением вертикальных выводов, где процесс герметизации в основном тот же, что и при герметизации крышки корпуса. Герметизация вакуумно-плотным металлом, исключающая влияние окружающей среды, может быть произведена без особых осложнений. Реальным затруднением является освобождение корпуса от загрязнений, особенно влаги, перед процессом герметизации.

Определенные проблемы могут возникать при низких рабочих температурах, когда происходит конденсация влаги внутри корпуса. Последующие реакции в присутствии небольшого количества галогенов могут привести к коррозии алюминия.

Герметизирующее покрытие поверхности кристалла

Часто выполнение герметизации некоторых типов корпусов не представляется возможным из-за высокой стоимости или трудности исполнения. В этих случаях в дополнение к герметизации крышки полимером для защиты алюминия от атмосферных загрязнений, таких как влага, может быть использовано покрытие поверхности кристалла. Для этой цели очень эффективны кремнийорганические соединения. Тонкий слой кремнийорганического соединения (0,25 мкм) не является диффузионным барьером для влаги. Полимер должен предотвращать конденсацию влаги на поверхности кристалла и таким образом уменьшать токи утечки между двумя соседними металлическими дорожками.

Кремнийорганические герметики успешно используются в электронной промышленности для приборов как с алюминиевой, так и золотой металлизацией. Однако этот метод не нашел широкого применения из-за малого предела плотности проводящих дорожек ИС, ниже которого эти материалы не эффективны.

Защита от альфа-частиц

Альфа-частицы испускаются при распаде атомов урана и тория, содержащихся в качестве примесей в материале корпуса. Ужесточение принципов проектирования предполагает, что новые приборы будут еще более чувствительны к воздействию альфа-частиц. Поскольку альфа-частицы имеют низкую проникающую способность в твердых телах, в качестве покрытия кремниевого кристалла, поглощающего альфа-частицы, предложены материалы с низким уровнем испусканием альфа-частиц. Уровень испускания альфа-частиц, равный 0,001 частица/(см²·ч) (наименьший ожидаемый уровень), достигнут при использовании в качестве покрытия кристалла кремнийорганических соединений.

Проблемы герметизации

1. Быстрое увеличение числа элементов на кристалле

2. Расширение функциональных возможностей ИС

Быстрое увеличение числа элементов на кристалле ИС и улучшение рабочих характеристик этих элементов создают основные трудности для проектировщиков корпусов. Расширение функциональных возможностей ИС, естественно, приводит к увеличению числа входов-выходов на кристалле, и, следовательно, к возрастанию числа выводов корпуса. Для кристаллов с повышенным числом входов-выходов требуются корпусы большего размера, которые часто рассеивают большое количества тепла.