Практическое занятие оптимизация технологических режимов процесса микроконтактирования бескорпусных кристаллов сбис в электронных устройствах с высокоплотным монтажом

Цель практического занятия: ознакомиться с элементной базой для техники поверхностного (высокоплотного) монтажа микроэлектронных устройств (МЭУ), например, многокристальных микромодулей (МКМ); изучить специфику сборки и монтажа бескорпусных кристаллов (БК) на коммутационных платах с учетом разновидностей выводов БК и методов их монтажа; изучить оценочные параметры для оптимизации режимов микроконтактирования и практические возможности оптимизации с точки зрения обеспечения качества и надежности микроконтактирования; освоение экспресс-методики определения оптимальных режимов микроконтактирования.

Продолжительность занятия – 4часа, по 2 часа на каждое из занятий:

1. Определение оптимального режима микросварки.

2. Изучение градиента температуры в зоне микросварки

Теоретические сведения Элементная база для сборки и монтажа мэу

В условиях высокоплотного монтажа МЭУ проблемы элементной базы связаны преимущественно со сборкой и монтажом многовыводных кристаллов сверхбольших интегральных схем (СБИС) с гарантированной аттестацией (КГА). При этом:

• применение многовыводных кристаллов потребовало разработки автоматизированных процессов сборки СБИС с организованными выводами; потребовалась такая технология сборки, которая обеспечивала бы высокоплотный монтаж СБИС КГА с монтажной зоной соизмеримой с размерами кристалла;

• условия универсальности монтажа СБИС при создании МЭУ и возможность использования практически кристаллов любой номенклатуры потребовали такой технологии сборки, которая обеспечивала бы обработку

СБИС КГА с любыми выводами, предполагающими как пайку, так и микросварку;

• необходимость получения кристаллов с гарантированной аттестацией до монтажа, например в МКМ, потребовала таких конструкторско-технологических решений по сборке кристаллов, которые обеспечивали бы измерение статических и динамических параметров, а также электротермотренировку (ЭТТ).

Таким образом, одной из важнейших проблем технологии высокоплотного монтажа МКМ (или микросборок) является насущная необходимость получения и использования кристаллов СБИС с гарантированной аттестацией. Это продиктовано прежде всего возросшими требованиями к качеству и надежности МЭУ, ремонт которых слишком дорог, а иногда и невозможен. Поэтому проведение полных электрических испытаний, ЭТТ СБИС перед установкой в МКМ не только технологически необходимо, но и техникоэкономически целесообразно.

Оценка и анализ качества микроконтактирования

Для оценки качества микроконтактирования после осуществления монтажа обычно применяют:

• визуальный контроль, например, с помощью оптического микроскопа для проверки правильности сборки и монтажа и выявления дефектов в соответствии с установленными технологической документацией критериями;

• измерение усилия отрыва проволоки от места микроконтактирования с применением граммометра (на контрольных образцах или тестовых контактных площадках);

• анализ результатов измерений усилий отрыва с применением, например, экспресс-методики.

Статистические методы обработки и анализа экспериментальных данных стали одним из основных средств при оценке качества изделий на разных этапах изготовления. Необходимость использования статистических методов при анализе и контроле технологических процессов в производстве МКМ обусловлена, прежде всего, спецификой микроэлектронных устройств (МЭУ), т. е. изготавливается ли кристаллодержатель на гибком носителе или выполняется сборка и монтаж МЭУ с применением БК, либо другое миниатюрное изделие, для которого дешевле предотвратить отказ, нежели осуществлять ремонт конструктивов в процессе эксплуатации МЭУ.

Как отмечалось ранее, каждая из сборочно-монтажных операций представляет собой сложный физико-химический процесс, зависящий от множества факторов (технологических режимов, микроклимата окружающей среды, чистоты основных и вспомогательных материалов и др.), влияющих на контрольные параметры операции и качество изделия. Учесть влияние многочисленных факторов на качество СБИС и в целом на МЭУ при их изготовлении и эксплуатации с целью диагностики и прогнозирования, например, их надежности; для определения точности измерительных средств контроля параметров качества и других целей, позволяют только статистические методы анализа, как более универсальные по сравнению, например, с методами функционального анализа.

Для организации статистического контроля нужно набрать достаточное количество статистических данных по необходимым параметрам. Точность информации и достоверность выводов, получаемых статистической обработкой результатов измерений тем выше, чем представительней статистика. Однако при статистической обработке большого количества измеренных параметров требуется производить довольно громоздкие расчеты с использованием порой сложного математического аппарата (например, когда речь идет о необходимости определения функции распределения параметров), что требует применения ЭВМ и нередко является препятствием для практического применения самого метода в производстве. Наряду со сложными методами статистического анализа существует большое число несложных, но достаточно строгих методов статистической обработки, так называемых экспрессных методов.

Экспрессные методы рационально использовать для предварительного анализа результатов измерений, например, для решения вопроса о целесообразности детального, сложного анализа каких-либо зависимостей измеряемых параметров от тех или иных факторов технологического процесса. Статистические экспресс-методы эффективно применять при оценке результатов экспериментов, когда однородная совокупность измеряемых параметров невелика.

Если расположить измеренные значения параметров в возрастающем порядке, то получится упорядоченный ряд статистического материала. В качестве одной из важнейших характеристик статистического ряда значений какого-либо параметра применяют его среднюю величину, около которой группируют все возможные значения данного параметра. Наиболее часто в качестве средней величины измеренного параметра (среднего) используют среднее арифметическое статистического ряда ( ), определяемое как

,

(1.1)

где x_i − измеренные значения выбранного параметра; n – количество измерений.

Средние величины, характеризуя однородную совокупность значений параметра одним числом, не учитывают рассеивания значений параметра. Самой простой характеристикой рассеивания является размах R. Размах представляет собой величину неустойчивую, зависящую от случайных обстоятельств и применяемую, как правило, в качестве приближенной оценки рассеивания. Размах определяется как

(1.2)

В теории и практике наиболее часто применяют, в качестве меры рассеивания изменений значений параметров в статистическом ряде, средний квадрат отклонения , который называют выборочной дисперсией и определяют как

,

(1.3)

где величина S называется средним выборочным квадратичным отклонением.

Каждая величина, зависящая от элементов выборки и входящая в формулу (1.3), называется связью. Знаменатель формулы (1.3) всегда равен разности между объемом выборки и числом связей, наложенных на эту выборку. Эта разность показывает, какое количество элементов выборки можно произвольно изменять, не нарушая связей, поэтому она называется числом степеней свободы выборки f.

Таким образом, можно сказать, что среднее и дисперсия характеризуют результат (даваемый методикой) и точность этого результата. Если при контроле технологического процесса распределение контролируемого параметра подчинено нормальному закону, т. е. влияние каждого значения измеренного параметра ничтожно мало по сравнению с влиянием их суммы, то для получения статистических выводов достаточно проанализировать только два параметра: и . На практике чаще всего приходится сталкиваться с нормальным распределением измеряемых величин, поэтому в данном случае примем распределение нормальным.

Рассмотрим пример оценки экспресс-методом качества микроконтактирования БК на коммутационной плате (КП).

В производственной практике целесообразно использовать быстрый метод (экспресс-метод) отбраковки микросварных (или микропаянных) соединений по заранее известному критическому усилию отрыва проводника от места контактирования. В табл. 1.1 приводятся значения критического усилия отрыва проводника от микросварного соединения БК на КП.

Микросварка осуществляется в разных режимах с использованием двух разновидностей микросварочных инструментов (например, с V-образным электродом и расщепленным электродом). Необходимо выбрать оптимальный режим микроконтактирования для каждого из двух инструментов (электродов).

Допустим, что выбран проводник 3 из табл. 1.1. Поочередно, сначала первым, потом вторым электродом выполняют три сварки в трех режимах для каждого проводника (всего на 18 контактных площадках), затем измеряют усилие отрыва проволоки от места микросварки. Результаты измерений заносят в табл. 1.2., в которой a − критическое усилие отрыва, соответствующее проводнику в табл. 1.1.

Граничное значение критерия оценки экспериментальных данных известно: для n=3 оно составляет 0,885 при уровне достоверности 95% и 2,111 при уровне достоверности 99%.

Следовательно, если полученное значение критерия

<0,885 или <2,111,

то качество микроконтактирования удовлетворительное, а если больше 0,885 (95%) или 2,111 (99%), то качество микроконтактирования неудовлетворительное.

Таблица 1.1

Значения критического усилия отрыва проводника от микросварного соединения

Номер проводника	Проводник	Диаметр, мм	Критическое усилие отрыва (сдвига), г
1	Проволока золотая	0,03	6
2	Проволока золотая	0,04	9
3	Проволока золотая	0,05	15
4	Проволока алюминиевая	0,04	14
5	Проволока медная (луженая)	0,05	20
6	Шариковый(Ti/W-Cu-Sn/Pb)	0,15	40
7	Фольга золотая	0,02*	30
8	Фольга алюминиевая	0,025*	35

* – толщина

Таблица 1.2

Пример составления таблицы на основе полученных экспериментальных данных

Обозна-чение статисти-ческих парамет-ров	Усилие отрыва (сдвига), г
	Для первой разновидности электрода			Для второй разновидности электрода
	для режима 1	для режима 2	для режима 3	для режима 4	для режима 5	для режима 6
X1 X2 X3 N R	2 4 6 3 4 4 2,75	4 5 6 3 5 2 5,00	15 16 17 3 16 2 0,5	1 2 3 3 2 2 6,50	5 7 9 3 7 4 2,00	14 16 18 3 16 4 0,25

Примечание. Значение называют критерием оценки эксперимен-

тальных данных (или граничным критерием).

Таким образом, для первой разновидности электрода оптимальным будет режим 3, а для второй разновидности электрода режим 6 (при уровнях достоверности 95% и 99% в обоих случаях). В то же время режим 5 требует перепроверки и повторного анализа большего числа измерений усилий отрыва проволоки, поскольку этот режим сравним с граничным критерием только для уровня достоверности 99%.

Математическое моделирование температурного

профиля в зоне микросварки

Как отмечалось ранее, температурный режим микросварки во многом определяет качество микросварных либо микропаянных соединений. В то же время для проведения анализа и решения вопросов, касающихся качества межсоединений, важно не только получать экспериментальные данные, но и знать характер распределения тепла в зоне микроконтактирования теоретически. Проще всего температурный профиль можно получить с применением математического моделирования. В частности, температурный профиль в зоне микросварки можно моделировать используя уравнение теплопроводности:

,

(1.4)

где: – количество подводимого тепла к контактной площадке, для определения которого при микросварке сдвоенным (расщепленным) электродом используют следующее выражение:

,

(1.5)

(где U – подводимое напряжение; R – сопротивление микросварного соединения (контакта); τ – длительность импульса; η – коэффициент полезного действия источника);

λ – теплопроводность материала контактной площадки; h – толщина платы; t – время воздействия на контактируемые объекты; r – размер контактной площадки; – коэффициент температуропроводности, определяемый из следующего выражения:

,

(1.6)

(где: с – теплоемкость материала; – плотность материала);

b – коэффициент температуроотдачи, который определяется из выражения:

,

(1.7)

(где: – коэффициент теплоотдачи).

Чтобы получить температурный профиль необходимо задавать до 10 значений размеров контактной площадки (r) в пределах поля площадки заданного размера, принимая центр контактной площадки r_k=0. Вычислив значения температур для этих точек можно построить температурный профиль в зоне микросварки (то есть график зависимости T(r)).

Температурный профиль можно оперативно получить с помощью ЭВМ, используя пакет программ MathCAD, MathLab и др.

Исходные данные заданий

Два задания выполняются согласно данным, представленных в табл. 1.3 (с использованием справочной табл. 1.4) и 1.5 (с использованием справочных табл. 1.6 и 1.7).

Для задания 1 микроконтактирование осуществлялось микросваркой с использованием 2-х разновидностей инструментов. В качестве критерия для поиска оптимального режима микросварки выбрана прочность получаемого электрического соединения в системе БК – коммутационная плата, оцениваемая по усилию отрыва (сдвига или среза) проводника от места микросварки.

Режимы микроконтактирования для каждой разновидности инструмента (в том числе в составе сварочного оборудования) могут отличаться длительностью; усилием прижима; температурой в зоне микросварки; наличием УЗК или их отсутствием; параметрами УЗК (при их наличии) и др. Контактируемые материалы в рамках данного примера не меняются. Площадь микроконтактирования отличается незначительно. Во всех случаях (для задания 1) несущим основанием КП является полиимидная пленка.

Задание 1. Определение оптимального режима микросварки:

• определить оптимальный режим микросварки для каждого типа инструмента;

• определить контактирующие материалы в сопряженной системе бескорпусной кристалл – КП;

• изобразить структуру организованного вывода кристалла (либо структуру межсоединения в системе кристалл – КП), указав все используемые материалы токопроводящей системы (и, при необходимости, детали смонтированного изделия);

• определить лучший режим микросварки с учетом использования разных инструментов и выбрать инструмент для микросварки.

Задание 2. Изучение градиента температуры в зоне микросварки:

• выполнить необходимые расчеты для построения температурного распределения в зоне микросварки БК на носителе выводов;

• построить график зависимости температуры микросварки от размеров контактной площадки с зоной микросварки (то есть температурный профиль T(r)).

Значения граничного критерия даны в табл. 1.4.

Результаты выполнения заданий 1 и 2 занести в форму табл. 1.8.

Сформулировать выводы по результатам выполнения заданий 1 и 2.