Технологические среды и материалы для изготовления кристаллодержателя на гибком носителе (гн).

В табл. 1 представлена последовательность основных технологических операций и характеристика технологических сред (ТС), используемых при создании кристаллодержателя. Под технологической средой следует понимать совокупность технологических материалов (основных, формирующих изделие, и вспомогательных, т.е. материалов оборудования, оснастки и т.д., контактирующих с изделием, непосредственно не участвующих в его формировании) и условий синтеза объекта производства.

В зависимости от физико-химического механизма, положенного в основу осуществления конкретной операции, материалы ТС могут использоваться в жидком, твердом и газообразном состоянии, а также в виде их сочетания. Иногда основной материал ТС (например, фоторезист) может служить и защитной средой (от окисления, восстановления, распыления и т.д.) для изделия или полуфабриката. Защитная среда (ЗС) представляет собой совокупность материалов и условий стабилизации параметров синтеза, а также частично или (и) полностью синтезированного объекта производства. ЗС могут быть временными и постоянными. В последнем случае ЗС может использоваться при изготовлении и (или) при эксплуатации изделия.

Анализ способов и методов сборки и монтажа кристаллодержателя на гн и выбор наиболее целесообразного.

Появлению кристаллодержателя на ГН способствовало развитие техники сборки и монтажа бескорпусных кристаллов (БК) на коммутационных плата. Основными требованиями к сборочно-монтажным процессам по изготовлению функциональных устройств на БК являются: обеспечение высокой плотности монтажа, высокой надежности монтажных соединений, высокой производительности и низкой стоимости.

Процесс сборки и монтажа функциональных устройств (ФУ) на кристаллах (БК) сводится к установке этих кристаллов на коммутационную плату и присоединению их к контактны площадкам платы.

Применение БК ИС позволяет:

• уменьшить посадочные габариты компонента, увеличить плотность монтажа;

• уменьшить массогабаритные показатели;

• уменьшить значение переходных сопротивлений, паразитных индуктивностей и емкостей вследствие коротких проводников из материалов, имеющих минимальное удельное и объемное сопротивление (Al, Au, Cu и т.п.);

• уменьшить длину межсоединений ИС и устройства в целом;

увеличить надежность аппаратуры (за счет уменьшения влияния стенок корпуса на кристалл, улучшения теплоотвода, уменьшения паянных и сварных соединений и общего числа герметичных клеевых швов) и т.п.

Таблица 1

Последовательность в изготовлении кристаллодержателя на гибком носителе.

№ пп	Название операции	Технологическая среда		Защитная среда		Оборудование, оснастка и др. сведения
		Материалы	Условия	Материалы	Условия
1	Скрайбирование пластин после разбраковки БИС по выходным параметрам	Окружающая обеспыленная среда (ООА)	Нормальные атмосферные условия, механические воздействия	Диэлектрик на поверхности БИС. Остаточная атмосфера и диэлектрик БИС	Нормальные условия. Форвакуум	Скрайбер, установка ломки пластин и разбраковки по внешнему виду, ЗС используется при выполнении операции и хранении.
2	Подготовка фольгированной полиимидной пленки	Моющий раствор, деионизованная вода, сжатый воздух, ООА	Механическое перемешивание раствора. Т хим. Раствора в ванне 60 ± 5°С, Р сжатого воздуха 1,8-2,0 кгс/см2, горячая вода (50°-60°С). Скорость движения ленты 190-210 мм/мин	ООА	Нормальные условия	Оснастка, технологическая тара, модули линии Лада-Электроника, ЗС при выполнении операции

Продолжение табл. 1

№ пп	Название операции	Технологическая среда		Защитная среда		Оборудование, оснастка и др. сведения
		Материалы	Условия	Материалы	Условия
3	Фотолитография для получения рисунка в проводящем слое. Нанесение фоторезиста, сушка, экспонирование, проявление и т.д. выполняются аналогично операциям п.5 (а,б) таблицы 2	См. табл. 2, п.5	См. табл.2, п.5	См. табл.2, п.5	См. табл.2, п.5	См. табл.2, п.5
4	Травление Аl (рисунок выводов носителя)	Травитель Аl, ООА, сжатый воздух, азот газообразный, вода деионизованная	Наличие мех. воздействия, Р сжат, воздуха 0,4-0,8 кгс/см2, Т травления 55 ± 5°С, время 3-5 мин, скорость движения ленты 150 мм/мин.	Фоторезист, ООА. Остаточн. атмосфера в вак.	Активная среда, нормальн. условия, форвакуум	Модули линии Лада-Электроника. Тара, технол. Оснастка, ЗС при выполнении операции и хранения.
5	Удаление фоторезиста; промывка и сушка	Уксусная кислота, деионизованная вода, ООА, сжатый воздух	Т=70-80°С Т=45°С, 75°С и 20±2°С (Н2О), механич. Воздействия (струя, вибрация), давление 1,8-2,0 кгс/см	ООА остаточн. атмосфер, в вакууме	Нормальные условия, форвакуум	3С при выполнении операции и хранении. Линия Лада-Электроника, оснастка, тара, технол. кассеты.

Продолжение табл. 1

№ пп	Название операции	Технологическая среда			Защитная среда		Оборудование, оснастка и др. сведения
		Материалы	Условия		Материалы	Условия
6	Нанесение полиимидного лака для диэлектрической защиты коммутации	Лак полиимидный, ООА	Центрифугирование при 1000-1500 об/мин.		ООА, остаточн. атмосфера в вакууме	Нормальные условия, форвакуум	Модули линии Лада-Электроника, оснастка, тара, ЗС применяют при выполнении операции и хранении.
7	Имидизация полиимидной пленки и последующая фотолитография для формирования сквозных окон в полиимидном лаке	ООА, азот газообразный, ТС на фотолитографии в полиимидном слое см. табл.2, п.2 операции а-е	Т имидизации 320-330°С, расход азота 170 л/час, Т сушки 80°С, 1= 6 часов		ООА, остаточн. атмосфера в вак.	Нормаль-ные условия, форвакуум	Аналогично операциям а-е (п.2 табл.2)
8	Контроль внешнего вида и ремонт полиимидного носителя	ООА, инертный газ		Нормальные условия, при ремонте см. опер. 10	ООА, остаточная атмосфера в вак.	Норм, условия, форвакуум	Микроскоп и установка для ремонта, оснастка, тара, ЗС используется пр выполнении операции и хранении изделия.

Продолжение табл. 1

№ пп	Название операции		Технологическая среда						Защитная среда				Оборудование, оснастка и др. сведения
			Материалы		Условия				Материалы	Условия
9	Резка полиимидных носителей на подложке по размеру (кадрирование)		ООА			Норм, условия, механ. воздействие			ООА, остаточная атмосфера в вак., материал рамки оснастки	Норм, условия, форвакуум			Установка резки, оснастка, тара, ЗС используется при выполнении операции и хранении изделия.
10		Сборка и монтаж кристалла на полиимидный носитель		Клей МК - 400, ООА, инертный газ (азот)			Мех. Воздействия на изделие, термокомпрессия + УЗ, давление на кристалле 50-75 гс, длит, сварки ~75 мкс, усилие 30-40 гр	ООА, обдув места сварки инертным газом, остаточная атмосфера в вак.			Нормальные условия, форвакуум	Скафандр монтажный, установки микросварки с ультразвуком, оснастка, тара, ЗС используется при изготовлении и хранении изделий.

Окончание табл. 1

№ пп		Название операции	Технологическая среда					Защитная среда			Оборудование, оснастка и др. сведения
			Материалы			Условия		Материалы	Условия
11		Нанесение герметизирующего покрытия и последующее его отверждение	ООА, герметики из эпоксикремнийорганики, азот газообразный			Т сушки 80°С (ИК-излучения) 1 сушки 1 час. Механ. Воздействие при дозировании компаунда		ООА, ламинарный поток окруж. атмосферы при нормальных условиях с наличием приточно-вытяжной вентиляции, нейтральный газ при отверждении компаунда	Нормальные условия, форвакуум		Установки герметизации, оснастка, тара, термошкаф, ЗС используют при выполнении операции и хранении изделий.
12	Контроль внешнего вида (визуальный) и измерение функциональных параметров кристаллодержателя			ООА	Нормальные условия, наличие электрического поля		ООА, остаточная атмосфера в вак.			Нормальные условия, форвакуум		Микроскоп, специальный стенд ДЛЯ функционального контроля, контактирующее устройство, тара и др. оснастка, ЗС применяют при выполнении операции и хранении изделия.

Методы и способы монтажа в значительной степени определяются типом выводов навесных компонентов. В настоящее время широкое распространение получили бескорпусные микросхемы с проволочными, шариковыми, балочными и паучковыми выводами. Соответственно и методы монтажа называются по типу выводов интегральных микросхем:

- метод проволочного монтажа;

- метод перевернутого кристалла;

- метод балочных и пучковых выводов.

С точки зрения обеспечения отвода тепла наилучшие характеристики имеет конструкция интегральной схемы с проволочными выводами и паучковой конструкцией выводов.

При всех указанных методах монтажа, кроме метода перевернутого кристалла, имеется возможность визуального контроля качества контактирования. В процессе сборки бескорпусные ИС крепятся на плате с помощью эпоксидных компаундов. Чаще всего применяются компаунды на основе эпоксидной смолы. Выбор этого компаунда обусловлен высокой адгезией к различным материалам, малой усадкой при отверждении, химической инертностью и стабильностью.

Контактные соединения в ФУ выполняются:

- пайкой;

- термокомпрессионной сваркой;

- ультразвуковой сваркой (термокомпрессия с УЗ);

- сваркой сдвоенным электродом.

Групповой пайкой осуществляется присоединение выводов для медного носителя и для алюминиевого в случае нанесения на балочные выводы слоев, смачиваемых оловянными припоями (например, Ta-Ni); для чисто алюминиевых выводов производится последовательная УЗ-сварка каждого вывода. Производительность операции монтажа с помощью полимерных носителей несколько уступает производительности монтажа методом перевернутого кристалла, тем не менее она в 5-7 раз выше, чем при обычном проволочном монтаже. При использовании ленточных носителей электрические контакты получаются прочнее в 7-10 раз, исключая влияние оператора, в связи с чем в 2-3 раза повышается надежность операций присоединения. Ширина промышленных образов варьируется от 6 до 70 мм; возможна рулонная отработка, для чего в полимерной ленте создается краевая перфорация для автоматической подачи с катушки.

Сварка — процесс получения неразъемного соединения материалов без их оплавления, а за счет их пластической деформации при одновременном действии давления, температуры или их сочетания, а иногда и с добавлением УЗ. Сварное контактное соединение имеет достаточно высокую механическую прочность, малое электрическое сопротивление, коррозиционно устойчиво и надежно при тепловых воздействиях. Оно обладает рядом технологических преимуществ перед паяными соединениями: отсутствуют затраты на припои и флюсы, нет операции лужения поверхностей, минимальные вредные воздействия на человека и окружающую среду, сравнительно низкая трудоемкость, и высокая чистота получаемых контактов.

Определяющими факторами для выбора метода сборки и монтажа являются:

- конструкция выводов ИС;

- материалы выводов ИС;

- материалы контактных площадок коммутационной платы.

Основными требованиями к процессам сборки и монтажа являются:

- обеспечение высокой плотности межсоединений;

- максимальное исключение ручного труда за счет широкой автоматизации сборочно-монтажных операций;

- обеспечение необходимой надежности ФУ в составе любой конструкции.

Сборка ФУ на БК состоит в установке и крепление БК БИС, а так же других навесных компонентов на коммутационную плату. Монтаж ФУ на БК состоит в соединении выводов кристалла с контактными площадками коммутационной платы ФУ или микросборки. Установка (крепление) навесных компонентов на плату в определяющей степени зависит от способов присоединения выводов кристаллов БИС с контактными площадками коммутационной платы. Наиболее широко используемым методом соединения выводов БК БИС с коммутационной платой является проволочный монтаж. Однако методы микромонтажа БК с жесткими выводами получают все более широкое применение.

Необходимость электрической проверки ФУ после сборки заставляет использовать при монтаже микросборок специальную промежуточную тару и промежуточные диэлектрические подложки с нанесенным слоем коммутации («кроватки»), на которые устанавливаются БК БИС (см. рис. 3).

Рис. 3. Промежуточная диэлектрическая подложка («кроватка») для сборки и монтажа БК.: 1 – полиимидный носитель; 2 – ситалловая плита («кроватка»); 3 – кристалл; 4 – проволочные выводы, соединяющие КП кристалла и «кроватки»; 5 – проволочные выводы, соединяющие КП «кроватки» и полиимидного носителя; 6 – соединение проволочных выводов КП с помощью УС – сварки; 7 – соединение проволочных выводов с КП пайкой.

Применение только промежуточной тары практически не позволяет автоматизировать процессы соединения проволочных выводов БИС на коммутационную плату, а использование «кроваток» позволяет осуществить автоматизированную микросварку проволочных выводов БК к «кроватке» и в процессе присоединения «кроватки» к коммутационной плате микросборки. Вместе с тем, применение промежуточных «кроваток» приводит к увеличению посадочного места кристалла на плате и в конечном итоге к уменьшению плотности монтажа.

Полная автоматизация процессов монтажа БК на плату микросборки достигается применение жестких выводов. При этом наиболее известны такие способы как:

- присоединение перевернутого кристалла с шариковыми выводами (или столбиковыми выводами);

- присоединение с помощью балочных выводов;

- сборка с использованием балочных выводов на полимерных носителях.

Эти способы монтажа имеют ряд достоинств, например:

- относительно высокую производительность,

- низкую стоимость микромонтажа кристаллов,

- отсутствие потерь площади при посадке кристаллов, и т.д.

На рис.4 приведена схема присоединения кристалла к коммутационной плате с помощью проволочных выводов.

Рис. 4. Фрагмент гибкого монтажа кристалла на плату;

1 – кристалл; 2 – проволочные выводы; 3 – контактные площадки коммутационной платы; 4 – колей; 5 – плата.

На рис.5 показана схема присоединения кристалла к коммутационной плате с помощью шариковых выводов.

Рис. 5. Фрагмент жесткого монтажа кристалла на плату.

1 – кристалл; 2 – шариковые выводы; 3 – плата; 4 – контактные площадки коммутационной платы.

За последнее время стали наиболее распространены при монтаже кристалла методы сборки и монтажа на гибких носителях.

Способ автоматической сборки и монтажа на гибких полимерных носителях основан на присоединении контактных площадок кристаллов к внутренним балочным выводам, сформированным на ленточном носителе. Рисунок выводов на носителе получают методом фототравления медной или алюминиевой фольги. Фольга приклеивается к полимерной ленте или полимерная основа наносится непосредственно на металлическую фольгу. После присоединения выводов кристалла к балочным выводам носителя кристалл подвергается необходимым измерениям и испытаниям (в том числе ЭТТ) непосредственно на носителе - на нем имеется соответствующий контактный пояс для измерений. После полной аттестации прибора непосредственно перед монтажом производится отделение кристалла от измерительной части носителя (включая и балочные выводы для присоединения к контактным площадкам коммутационных плат). Установка кристалла на носителе производится либо «лицом вверх», либо «лицом вниз». Схема ленточного носителя показана на рис. 6.

Рис. 6. Конструкция ленточного носителя.

1 – место маркировки; 2 – крепежное отверстие; 3 – проводник; 4 – переходные отверстия; 5 – полиимид; 6 – базовое отверстие.

Для сравнения параметров методов монтажа сведем сравнительные характеристики методов в табл. 2 .

Таблица 2.

Сравнительные характеристики методов монтажа кристалла на носитель.

Параметры	Методы монтажа кристаллов
	Проволочный монтаж		Жесткие организованные выводы
	Непосре-дственно на плату	На «кроватку»	Переве-рнутый крист. с шарик. вывод.	Балочные выводы	Гибкие носители
					С Cu выводами	С Al выводами
1. Относи-тельная площадь, занимаемая кристаллом. 1∙1 3∙3 5∙5 10∙10	1,0 1,0 1,0 1,0	2,2 2,0 1,7 1,5	1,0 1,0 1,0 1,0	1,8 1,5 1,3 1,2	1,8 1,5 1,3 1,2	1,8 1,5 1,3 1,2
2.Максималь­ное количество присоединяе­мых выводов кристалла	16	60	120-200	60	300	300
3. Относи-тель­ная стоимость изготовления кристалла	1,0	1,2	1,6	2,0	1,3	1,3

Из вышеперечисленных способов и методов монтажа микросборок в данной лабораторной работе выбираем метод монтажа с помощью Аl выводов на гибкий носитель, так как этот метод имеет достаточно высокие параметры по занимаемой площади, количеству присоединяемых проводов, а также по относительно низкой себестоимости изготовления кристалла. В качестве материала для выводов выберем алюминий, так как в процессе ультразвуковой сварки алюминиевых выводов кристалла и алюминиевых рамок носителя не требуется дополнительного нанесения какого-либо покрытия.

В данной лабораторной работе разварка жестких выводов от кристалла на коммутационное поле осуществляется ультразвуковым способом.

Качественное соединение с жестким основанием через переходные отверстия в полиимидной пленке возможно при полном заполнении его припоем.

При выборе припоя для соединения плат на полиимидной пленке в месте переходных отверстий учитываются следующие требования:

- ограничение температуры пайки;

- минимальное взаимодействие припоя с материалами пленочных коммутационных компонентов, определяемых толщиной переходного слоя, образованного за время протекания процесса при температуре пайки;

- достаточная прочность, коррозионная стойкость и высокие технологические показатели.

Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют хорошо изученные и широко используемые в радиоэлектронике оловянно - свинцовые припои типа ПОС-61.

Пайка в вакууме позволяет обеспечить наиболее полные воспроизводимые условия протекания процесса, так как в этом случае нет необходимости ограничивать время пайки из-за окисления жидкого припоя. Наибольшая смачиваемость обеспечивается при давлении 0,7- 6 Па.

Исходя из условий наиболее полного растекания припоя, максимальная температура не должна превышать 500 К.