МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Микро- и нанотехника» В. А. Сычик ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Конспект лекций по дисциплине «Технология сборки полупроводниковых приборов и интегральных схем» Минск БНТУ 2014 1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Микро- и нанотехника» В. А. Сычик ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Конспект лекций по дисциплине «Технология сборки полупроводниковых приборов и интегральных схем» для студентов специальности 1-41 01 01 «Технология материалов и компонентов электронной техники» Минск БНТУ 2014 2 УДК 621.382–049.1+621.382.049.77–049.1(075.8) ББК 32.852я7 С95 Рецензенты : доц. каф. «Микро- и наноэлектроника» БГУИР, канд. техн. наук Ю. А. Радионов; доц. каф. «Микро- и наноэлектроника» БГУИР, канд. техн. наук А. Г. Черных; проф. каф. «Электрические системы и сети» энергетического факультета БНТУ, д-р техн. наук, проф. М. А. Короткевич Сычик, В. А. Технология сборки интегральных схем : конспект лекций по дис- циплине «Технология сборки полупроводниковых приборов и инте- гральных схем» для студентов специальности 1-41 01 01 «Техноло- гия материалов и компонентов электронной техники» / В. А. Сычик. – Минск : БНТУ, 2014. – 306 с. ISBN 978-985-550-140-5. В предлагаемом конспекте лекций изложены базовые теоретические сведения по всем разделам дисциплины «Технология сборки полупроводниковых приборов и интегральных схем», включая подготовку кристаллов к сборочным операциям, пайку и сварку в полупроводниковом производстве, монтаж кристаллов и подложек, присоеди- нение и разварку выводов, герметизацию полупроводниковых приборов и интегральных схем в корпусе, защиту арматуры на сборочных операциях, заключительные операции сборочного производства и автоматизацию производственных процессов сборки полу- проводниковых приборов и интегральных схем. Конспект лекций соответствует типовой программе дисциплины «Технология сборки полупроводниковых приборов и интег- ральных схем». УДК 621.382–049.1+621.382.049.77–049.1(075.8) ББК 32.852я7 ISBN 978-985-550-140-5 © Сычик В. А., 2014 © Белорусский национальный технический университет, 2014 С95 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИНИШНЫХ ОПЕРАЦИЙ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1. Монтаж кристаллов и присоединение выводов. . . . . . . . 10 1.2. Герметизация полупроводниковых приборов и ИМС. . . 14 2. РАЗДЕЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН НА КРИСТАЛЛЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1. Технология разделения пластин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.1. Особенности разделения полупроводниковых материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2. Скрайбирование алмазным резцом. . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3. Лазерное скрайбирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.1. Скрайбирование химическим травлением. . . . . . . 27 2.4. Ломка пластин на кристаллы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5. Резка алмазными режущими дисками. . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6. Резка полотнами, проволокой, ультразвуком. . . . . . . . . . 36 2.6.1. Сквозное прорезание пластин. . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.7. Контроль качества дисковой резки и разламывания пластин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.8. Оборудование разделения полупроводниковых пластин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.8.1. Установка скрайбирования пластин. . . . . . . . . . . . 40 2.8.2. Установка лазерного скрайбирования полупроводниковых пластин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.8.3. Характеристики установок разделения пластин. . . . 43 2.8.4. Оборудование для ломки пластин. . . . . . . . . . . . . . 45 3. ПАЙКА И СВАРКА В ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС. . . . . . . . . . 47 3.1. Пайка: характеристики процесса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2. Особенности процессов пайки в полупроводниковом производстве. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3. Контактно-реактивная пайка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.4. Пайка эвтектическими сплавами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.5. Пайка электродных выводов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.6. Пайка деталей корпусов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4 3.7. Припои и флюсы для пайки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.8. Оборудование для пайки. Оборудование для эвтектической пайки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.8.1. Оборудование для пайки корпусов. . . . . . . . . . . . . 65 3.9. Сварка в производстве полупроводниковых приборов и ИМС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.9.1. Термокомпрессионная сварка. . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.9.2. Ультразвуковая сварка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.9.3. Микроконтактная сварка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.9.4. Диффузионная сварка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4. СБОРКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС. МОНТАЖ КРИСТАЛЛОВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.1. Роль монтажа в техпроцессе сборки полупроводниковых приборов и ИМС. . . . . . . . . . . . . . . 78 4.2. Монтаж кристаллов и подложек методом приклеивания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.3. Монтаж кристаллов пайкой стеклом. . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.4. Монтаж кристаллов пайкой низкотемпературными припоями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.5. Монтаж кристаллов методом эвтектической пайки. . . . . 91 4.6. Контроль качества монтажа кристаллов. . . . . . . . . . . . . . 98 4.7. Прогрессивные направления в производстве полупроводниковых приборов и ИС. . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.8. Оборудование для монтажа кристаллов. . . . . . . . . . . . . . 102 5. ПРИСОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕКТРОДНЫХ ВЫВОДОВ. . . . . . . . 110 5.1. Общие сведения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.2. Методы беспроволочного монтажа. . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.3. Монтаж методом перевернутого кристалла. . . . . . . . . . . 113 5.4. Монтаж кристаллов с балочными выводами. . . . . . . . . . 116 5.5. Методы крепления выводов на гибком носителе. . . . . . . 119 5.6. Присоединение выводов с помощью ультразвуковой микросварки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.7. Присоединение выводов с помощью контактной точечной микросварки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.8. Присоединение выводов термокомпрессионной сваркой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.9. Присоединение выводов пайкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.10. Проволока для электродных выводов. . . . . . . . . . . . . . . 141 5 5.11. Методы микромонтажа кристаллов БИС. . . . . . . . . . . . 143 5.11.1. Ультразвуковая микросварка и микромонтаж кристаллов на ленточных носителях. . . . . . . . . . . . . . . . 143 6. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.1. Общие сведения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.2. Герметизация холодной сваркой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 6.3. Герметизация корпусов контактной сваркой. . . . . . . . . . 159 6.4. Герметизация сваркой плавлением. . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 6.4.1. Герметизация аргонно-дуговой сваркой. . . . . . . . . 167 6.4.2. Герметизация микроплазменной сваркой. . . . . . . . 170 6.5. Герметизация корпусов электронно-лучевой сваркой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 6.6. Герметизация корпусов лазерной сваркой. . . . . . . . . . . . 174 6.7. Герметизация корпусов пайкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 6.8. Герметизация корпусов заваркой стеклом. . . . . . . . . . . . 182 6.9. Герметизация полупроводниковых приборов и ИС пластмассами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 6.9.1. Способы герметизации пластмассами. . . . . . . . . . . 185 6.9.2. Герметизирующие полимерные материалы. . . . . . 185 6.9.3. Герметизация способом прессования пластмасс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6.9.4. Герметизация под давлением с помощью жидких компаундов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 7. ЗАЩИТА АРМАТУРЫ НА СБОРОЧНЫХ ОПЕРАЦИЯХ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.1. Назначение защитных покрытий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.2. Химическая обработка полупроводниковых структур перед защитой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 7.3. Защита с помощью лаков, эмалей, компаундов и кремнийорганических вазелинов. . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 7.4. Защита силанированием. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 7.5. Защита полупроводниковых кристаллов и активных компонентов ИМС стеклянными пленками сложного состава. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 7.6. Защита полупроводниковых структур пленками нитрида кремния. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 6 7.7. Защита структур методом обволакивания. . . . . . . . . . . . 222 7.8. Защита структур методом свободной заливки. . . . . . . . . 225 8. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ СБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 8.1. Характеристика заключительных операций. . . . . . . . . . . 231 8.2. Окраска, лакировка и маркировка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 8.3. Лужение выводов горячим способом. . . . . . . . . . . . . . . . 239 9. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ СБОРКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.1. Системы управления процессами сборки полупроводниковых приборов и ИС. . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.1.1. Структурные схемы системы управления. . . . . . . . 242 9.1.2. Устройства управления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 9.1.3. Датчики в системе управления сборочного оборудования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 9.1.4. Системы технического зрения. . . . . . . . . . . . . . . . . 266 9.1.5. Устройства распознавания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 9.1.6. Гибкие автоматизированные производства. . . . . . 285 9.2. Комплексная автоматизация сборочных процессов изделий микроэлектронной техники. . . . . . . . . . . . . . . . . 296 ЛИТЕРАТУРА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 7 ВВЕДЕНИЕ За короткий промежуток времени полупроводниковая электро- ника прошла огромный путь развития от простейших электронных приборов до сложнейших микромодулей и микросхем. Разработка и освоение серийного выпуска интегральных микросхем (ИМС) яви- лись значительным шагом вперед на пути миниатюризации аппара- туры. Микроскопические размеры компонентов и продолжающаяся тенденция увеличения степени интеграции интегральных схем (ИС) делают операции сборки особо важными. Под сборкой полупровод- никовых приборов и ИС понимают совокупность технологических операций, обеспечивающих соединение элементов и частей полу- проводникового прибора или ИМС в единое целое. К таким опера- циям относятся механическое закрепление кристалла в корпусе или на раме с выводами, образование электрических связей между кон- тактными площадками на кристалле и внешними выводами и герме- тизация для обеспечения защиты изделия от воздействия окружаю- щей среды и механических повреждений. Этим операциям придает- ся большое значение потому, что электрические параметры и на- дежность изделий во многом зависят от качества сборки. Сборка полупроводниковых приборов, ИМС существенно отличается от сборки обычных радиотехнических устройств. Она характеризуется многообразием оборудования и различными материалами; наиболее специфическими особенностями являются малые толщины провод- ников (10–200 мкм) и пленок (0,05–5 мкм). Операции сборки были и остаются наиболее трудоемкими в техпроцессе изготовления полу- проводниковых приборов и ИМС. Если в процессах создания кри- сталлов применяются групповые методы обработки, то при сборке оперируют с каждым изделием отдельно. Основные параметры про- цесса сборки: температура нагрева, выдержка, удельное давление – должны быть минимально возможными, чтобы не повредить эле- менты прибора или микросхемы. Современный этап развития мик- роэлектроники характеризуется выпуском сверхбольших интеграль- ных схем (СБИС), благодаря чему создаются блоки и функциональ- ные узлы электронной аппаратуры. В этой связи новое развитие получают основные технологические процессы сборки: монтаж крис- таллов, разводка выводов и герметизация изделий. 8 Дисциплина «Технология сборки полупроводниковых приборов и интегральных схем» включает следующие разделы: подготовка кристаллов к сборочным операциям; пайка и сварка в полупровод- никовом производстве; монтаж кристаллов и подложек, присоеди- нение и разводка выводов; герметизация полупроводниковых при- боров; заключительные операции сборочного производства; техно- логические испытания полупроводниковых приборов и ИМС; меха- низация и автоматизация производственных процессов сборки полу- проводниковых приборов и ИМС. Цель преподавания дисциплины – освоение студентами комп- лекса теоретических и практических знаний в области монтажа и сборки полупроводниковых приборов и ИМС, позволяющих им свободно ориентироваться в современном производстве полупро- водниковых приборов и интегральных микросхем. 9 1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИНИШНЫХ ОПЕРАЦИЙ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС Финишные операции производства полупроводниковых прибо- ров и ИМС – это операции их монтажа и сборки, включая операции скайбирования пластин, монтажа кристаллов, присоединения выво- дов, герметизации полупроводниковых приборов и ИМС, техноло- гических испытаний. Скрайбирование. С помощью процессов литографии на одной по- лупроводниковой пластине изготавливают до 2000 однотипных струк- тур. После создания структур пластины разделяется на отдельные кристаллы, на основе которых собирается полупроводниковый при- бор или ИС. Для разделения пластин большое применение получил метод резки алмазным резцом, получившим название скрайбирова- ние (рис. 1.1). Процесс складывается из операций нанесения риски алмазной иглой и разламывания вдоль нанесенных царапин. Пласти- ну крепят вакуумным присосом или наклеивают на подложку. При этом игла в резцедержателе располагается так, чтобы угол между осью иглы и плоскостью реза составил 8–10. После нанесения сетки царапин пластину располагают на резиновой прокладке планарной стороной вниз и проводят валиком с легким прижимом по пластине вдоль линии реза в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При этом кристаллы разделяются по линиям царапин. Полученные кристаллы подвергаются химической обработке и передаются на сле- дующие операции. Ломка скрайбированных пластин также осуще- ствляется на сфере. При этом сохраняется исходная ориентация кри- сталлов и повышается производительность сборки. Рис. 1.1. Скрайбирование: а – скрайбирование пластины алмазным резцом; б – пластина после скрайбирования; 1 – полупроводниковая пластина; 2 – резец (игла); 3 – режущая кромка ба 1 10 1.1. Монтаж кристаллов и присоединение выводов При сборке полупроводниковых приборов и ИМС кристаллы или платы устанавливают на основания корпусов и выполняют электри- ческие соединения. В зависимости от типов приборов электрические соединения создают между контактными площадками, представляю- щими собой металлизированные участки кристаллов, и гибкими (про- волочными, ленточными) или жесткими (шариковыми, в виде высту- пов, или балочными) выводами (рис. 1.2). Рис. 1.2. Основные методы монтажа кристалла к корпусу (подложке): а – проволочный; б – балочный; в – шариковый; г – в виде выступа; 1 – вывод; 2 – клей; 3 – ИС; 4 – контактная площадка; 5 – подложка Особенности выполнения таких электрических соединений свя- заны с небольшой толщиной (0,25–2,0 мкм) и сравнительно невысо- кой прочностью навесных пленок, малыми размерами контактных площадок и большой толщиной (25–180 мкм) выводов, что приво- дит к перегреву контактных площадок и недогреву выводов и обра- а б в г 11 зованию непрочных соединений. Электрические соединения созда- ют проволочным и беспроволочным монтажом. Клеевые соедине- ния выполняют, используя как токопроводящие, так и непроводя- щие клеи. Клеи изготавливаются на основе эпоксидных или поли- эфирных смол с наполнителем из мелкодисперсного металлического порошка (Au, Ag, Pb, Ni) и имеют низкие объемные показатели. По- сле нанесения жидкого клея под действием гидростатических сил в нем образуются металлические пятна касания в виде проводящих цепочек, которые при отвердении клея фиксируются. Пайка – это процесс соединения двух металлических деталей в твердом состоянии с помощью припоя, заполняющего простран- ство между ними. При пайке места соединения деталей разогрева- ются до температуры выше температуры его плавления. Пайку в ос- новном применяют при проволочном монтаже, а также при монтаже кристаллов, имеющих столбиковые или шариковые выводы. Обычно используют припой ПОС61 (61 % Sn, 38,2 % Pb, 0,8 % Sb). Пайку выполняют без флюса или используют пассивные флюсы, предохра- няющие детали и припои от окисления. Пайку осуществляют в те- чение 2–3 с маломощным электропаяльником (U = 6 В, P = 6 Вт, Т = 280 С) с автоматическим регулированием температуры. Широ- кое распространение получила пайка при креплении подложек и крис- таллов к основаниям корпусов. Для этих целей применяют припои Au–Sn, Pb–Sn–Ag с температурой, равной 280–300 С. На место со- единения помещают припой в виде пасты или диска из фольги. Пайку стеклом применяют только при монтаже кристаллов в корпу- се. Используются легкоплавкие стекла С84-1, С88-1, С90-1, имею- щие ТКЛР = (8,4…9,0)10–8 К–2, температуру размягчения не более 550 С. Использование стекла исключает электрический контакт кристаллов с корпусами. Микросварка – это процесс образования неразъемных соедине- ний деталей их сплавлением или деформированием, в результате чего возникают прочные связи между атомами соединяемых мате- риалов. Сварка отличается от пайки меньшими загрязнениями и га- зонасыщением мест контактирования. Сварка давлением основана на одновременном действии температуры и давления на соединяе- мые детали, которые при этом не расплавляются, а увеличивают свою пластичность. В результате пластической деформации одной 12 или обеих соединяемых деталей между их поверхностями вслед- ствие металлических связей возникает физический контакт и про- исходит взаимная диффузия. Соединения металлических деталей с металлическими или неме- таллическими под действием высоких давлений и температуры назы- вают термокомпрессией. Этим методом можно сваривать круглые и плоские проводники с тонкими металлическими пленками, нане- сенными на хрупкие подложки. Термокомпрессией соединяют золотые и алюминиевые проводники с контактными пластинками из золо- та (Au), алюминия (Al), кремния (Si) и др. При соединении золотой проволокой алюминиевых контактных площадок кристаллов с выво- дами корпусов режим термокомпрессии следующий: Т = 350 С, Р = 108 Н/м2, время – 0,3–3 с. При этом деформация присоединяемой детали составляет 30–60 %. Сварочный инструмент обычно выпол- няют в виде иглы (клина) или капилляра из твердых сплавов ВК-15 или синтетического корунда. Термокомпрессионная сварка по спо- собу нагрева бывает с индивидуальным или одновременным подо- гревом рабочего столика (кристалла и платы) и сварочного инстру- мента, а по способу соединения – внахлест (сшиванием) и встык (см. рис. 1.3). Рис. 1.3. Термокомпрессионная сварка: а – внахлестку со швом: 1 – сварочный инструмент; 2 – проволочный вывод; 3 – контактная площадка; 4 – плата; б – встык: 1 – капилляр; 2 – проволочный вывод; 3 – контактная площадка; 4 – плата По форме образующегося соединения, которая зависит от типа ин- струмента и степени деформации вывода, судят о качестве сварки. а б 13 Термокомпрессионную сварку выполняют как вручную, так и на спе- циальных автоматических установках. При сварке косвенным импульс- ным нагревом (рис. 1.4) рабочий ин- струмент – электрод – нагревается только в момент выполнения соеди- нения, а его формой предусмотрено сосредоточение выделяющейся теп- лоты на торцевой части жала и ло- кальный нагрев места сварки. Режим: Р = 107–108 Н/м2; Т = 300–700 С и вре- мя – 0,01–2,00 с. Обычно сварку кос- венным импульсным нагревом при- меняют для соединения проволоки из алюминия (Al), золота (Au) с вывода- ми транзисторов и корпусами ИМС. Сварка плавлением (сдвоенным электродом, лазерная, элект- ронно-лучевая) основана на нагревании свариваемых деталей до температуры плавления. При сварке сдвоенным электродом учиты- вается особенность выполнения соединений, которая предопределя- ет одностороннее расположение электродов. В процессе сварки участок вывод–контактная площадка – при прохождении через него электрического тока разогревается. Усилие прижатия электрода со- ставляет 3–10 Н, а время сварки – 0,05–0,20 с. При лазерной сварке материалы соединяемых деталей под действием электромагнитного излучения высокой интенсивности расплавляются, а после охлаж- дения образуют сварной шов. Отсутствие специальных сред, лег- кость фокусировки лазерного луча до 0,25–1,00 мм делают этот ме- тод наиболее перспективным для использования в микроэлектрон- ной технологии. Электронно-лучевая сварка основана на нагревании мест контактирования электронным лучом. С функциональным усложнением изделий микроэлектроники и увеличением степени интеграции появился метод группового беспроволочного монтажа. Монтаж кристаллов с жесткими выво- дами на одно-, двух- или трехслойном ленточном носителе наибо- лее приемлем в массовом производстве. Однослойный ленточный носитель представляет медную или алюминиевую фольгу, двух- слойный – полиамидную пленку, фольгированную алюминием, а трех-   Рис. 1.4. Конструкция инструмента для сварки косвенным импульсным нагревом 14 слойный – раздельно изготовленные фольгу и пленку диэлектрика, затем – склеенные полиэфирной или эпоксидной смолой. 1.2. Герметизация полупроводниковых приборов и ИМС Герметизация является завершающим технологическим процес- сом изготовления полупроводниковых приборов и ИМС. Ее про- водят для полной изоляции элементов, компонентов, кристаллов и электрических соединений от окружающей среды, содержащей влагу, а также активных веществ, способных вызвать коррозию и привести к выходу изделий из строя. Различают корпусную, бескорпусную и комбинированную гер- метизацию. При корпусной герметизации предварительно изготав- ливают элементы корпусов – основания с изолированными вывода- ми, крышки. После монтажа прибора, кристалла или платы на осно- вании корпуса и микроконтактирования выводов присоединяют крышку, в результате чего образуется замкнутый объем. В металло- стеклянных корпусах (рис. 1.5, а) основание 4 и крышку 1 выпол- няют из металла, а выводы изолируют от основания стеклом. Ме- таллокерамические корпуса (рис. 1.5, б) состоят из керамического основания 4 с выводами 5 и металлической крышки 1. В основании в специальной технологической рамке выводы впаивают стеклом. К бортику керамического основания стеклом припаивают металли- ческую рамку 6, к которой присоединяют металлическую крышку. Стеклянные корпуса состоят из стеклянного основания и металли- ческой или стеклянной крышки. В керамических корпусах как крыш- ка, так и основание выполнены из керамики. В пластмассовых кор- пусах (рис. 1.5, в) крышки 1 приклеивают к основаниям 4 специаль- ными клеями. Этот вариант герметизации применяют при изготов- лении малоответственных ИМС. Многообразие конструкции и типоразмеров корпусов обуслови- ло применение различных видов пайки и сварки. Наиболее часто при герметизации применяются следующие виды сварки и пайки. Холодная сварка – это процесс получения неразъемного соеди- нения в результате пластической деформации двух деталей. При сближении свариваемых деталей на расстоянии действия межатом- ных сил между поверхностными атомами образуются металличе- ские связи. Холодная сварка проста, доступна и применяется для 15 герметизации металлостеклянных корпусов транзисторов, а также корпусов ИМС из металлов, обладающих высокой теплоемкостью. Рис. 1.5. Корпуса полупроводниковых приборов и ИС: а – металло-стеклянный; б – металло-керамический; в – пластмассовый: 1 – крышка; 2 – кристалл (микросборка); 3 – стекло; 4 – основание; 5 – вывод; 6 – рамка Электротермическая сварка – это процесс получения неразъ- емного соединения нагревом свариваемых кромок до пластичного состояния и последующим их сжатием. Наиболее распространена электроконтактная сварка неподвижными электродами, при кото- рой соединяемые детали устанавливают в специальное гнездо ниж- него электрода, а верхний электрод при опускании сжимает их с удельным давлением 50–100 Н/мм2. Электроконтактной сваркой герметизируют корпуса полупроводниковых приборов и микросхем круглой и прямоугольной формы со штыревыми выводами. При аргонно-дуговой сварке, которая является одним из видов элект- родуговой, аргон, обтекающий электрод и зону соединения, предо- храняет расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха. Охлаждаясь, металл в месте сварки кристаллизуется и об- разуется сварочный шов. Аргонно-дуговой сваркой герметизируют металлостеклянные корпуса со штыревыми выводами. а б в 16 При микроплазменной сварке, которая является разновидностью аргонно-дуговой, локализация и стабилизация плазменного луча до- стигается с помощью сопла с диаметром выходного отверстия менее 1 мм. При корпусной герметизации применяется также пайка при- поями и стеклом. Пайка припоями выполняется при Т = 170–350 С. Перед пайкой изделие облуживают расплавленным припоем. Далее корпус герметизируют, применяя различные способы нагрева, необ- ходимые для оплавления припоя. Пайку стеклом применяют не только для контакта кристаллов с корпусами и крепления внешних выво- дов к керамическим основаниям, но и для соединения керамических крышек с основаниями. Бескорпусная герметизация обеспечивает совмещение герметиза- ции с формированием корпуса. Свободное пространство между эле- ментами заполняется полимеризующимся электроизоляционным со- ставом (компаундом), который при затвердевании образует монолит- ную оболочку. Герметизирующие компаунды изготавливают на ос- нове эпоксидных, кремнийорганических или полиэфирных смол. Пре- имущества бескорпусной герметизации – значительное сокращение количества технологических операций. Обволакивание – способ, при котором каплю герметика наносят на сборку или кратковременно по- гружают сбоку в герметик. Способ используют для предварительной защиты изделий перед заливкой или прессовкой. Заливку выполняют в специальные литьевые формы многократного использования из си- ликоновой резины. Заливка может быть свободной или в вакууме. Литьевое прессование является наиболее совершенным способом создания бескорпусных оболочек, применяемых в серийном производ- стве. Способ основан на использовании разъемных пресс-форм и пресс-порошков, получаемых из эпоксидных и кремний органических смол. Расплавленный порошок подается через литниковые каналы под давлением в формующие гнезда. Через 3–5 мин давление снимают, раскрывают пресс-форму, изделие выталкивается из нее. При комбинированной герметизации предварительно изготов- ленную крышку в виде металлического колпачка, в которую уста- навливают кристалл с выводами, заливают компаундом. Так обычно герметизируют толстопленочные ГИС. Технологические испытания полупроводниковых приборов и ИМС. После сборочных операций приборы и микросхемы проходят 17 ряд технологических операций, включающих комплекс различных воздействий, измерение основных электрических параметров и ви- зуальный контроль. Установлены следующие виды технологических испытаний и контроля: визуальный контроль до герметизации; ме- ханические, климатические и электрические испытания после герме- тизации; проверка герметичности; визуальный контроль внешнего вида; рентгенотелевизионный контроль. Выдержавшими испытания считаются приборы и микросхемы, которые после испытаний не изменили своей конструктивной формы и внешнего вида, сохрани- ли герметичность корпуса и электрические параметры. 18 2. РАЗДЕЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН НА КРИСТАЛЛЫ Разделение полупроводниковых пластин на кристаллы – одна из основных операций техпроцесса производства ИС, заключающаяся в выделении отдельного кристалла ИС из монолитной пластины для последующего монтажа его в корпуса приборов. Разделение осу- ществляется на специальных установках. 2.1. Технология разделения пластин Разделение осуществляется по двух- или одностадийной техно- логии. В первом случае формируется концентратор напряжений по специально выделенным дорожкам в двух взаимно перпендикуляр- ных направлениях либо зонах между рядами структур. Такая опера- ция называется скрайбированием. Во втором случае полупровод- никовая пластина разрезается насквозь специальным алмазным ре- жущим диском. Общий техпроцесс разделения относится к дискрет- ным и имеет сравнительно большое количество межоперационных переходов. Например, типовой восьмиоперационный технологиче- ский процесс (рис. 2.1) при двухстадийном разделении включает следующие операции: скрайбирование, отмывку и сушку, ломку пла- стин на кристаллы, укладку кристаллов в кассету, отмывку крис- таллов в кассете, визуальный контроль кристаллов, доукомплекто- вание кассеты, повторную отмывку, на сборку. Рис. 2.1. Структура восьмиоперационного технологического процесса разделения полупроводниковых пластин на кристаллы при двухстадийном разделении Скрайбирование пластины – нанесение рисок или надрезов по разделительным дорожкам с помощью алмазного резца, лазера, ал- мазных дисков. Очистка пластины производится дионизованной водой или ор- ганическими растворителями для удаления отходов скрайбирования 19 (после лазерного скрайбирования удаляются специально наносимые защитные покрытия). Ломка проскрайбированной пластины происходит на отдельные кристаллы (характерно появление скрытых дефектов из-за возник- новения неконтролируемых напряжений в полупроводниковом ма- териале, которые могут быть причиной электрических отказов). При кассетировании кристаллов, которые после ломки могут находиться в свободном состоянии, электрически годные (немарки- рованные при зондовом контроле) кристаллы выбираются с помо- щью вакуумных присосок и укладываются в ячейки кассеты. Очистка кристаллов происходит в кассете (как правило выпол- няется вручную, и качество ее выполнения в значительной степени зависит от оператора). При визуальном контроле кристаллы в кассете рассматривают- ся под микроскопом при увеличении в 180–200 и более раз. Отбра- кованные по внешнему виду кристаллы удаляются из кассеты. Далее производится доукомплектование кассет годными кри- сталлами. Отмывка полных кассет производится по необходимости. В производстве наиболее широко внедрился метод разделения и сортировки кристаллов с сохранением ориентации кристаллов на пластине, наклеенной на специальную пленку. Сущность его в том, что проскрайбированную пластину крепят на эластичную плен- ку, обладающую адгезионными свойствами (липкостью), после чего разламывают на отдельные кристаллы, которые сохраняют первона- чальную форму пластины. В случае разрезания пластины алмазными режущими дисками она также сохраняет свою форму. При использо- вании одностадийного процесса разделения методом сохранения ори- ентации кристаллов на пластине и интеграции ряда операций на со- временном оборудовании сборки количество переходов в технологи- ческом процессе разделения уменьшается до четырех (рис. 2.2): 1. Формирование спутника-носителя с адгезионной лентой и при- клейка пластины. 2. Сквозное разрезание пластины алмазными режущими дисками (обеспечивается четкая прямоугольность кристаллов, исключается необходимость ломки и операции кассетирования). 3. Очистка кристаллов на пленке деионизованной водой под вы- соким давлением, механическими щетками и струей сухого воздуха. 20 4. Визуальный контроль кристаллов на пленке с маркировкой кристаллов краской, аналогичной маркировке на операции зондово- го контроля. Рис. 2.2. Структура технологического процесса разделения полупроводниковых пластин на кристаллы при одностадийном разделении 2.1.1. Особенности разделения полупроводниковых материалов Известен ряд методов разделения полупроводниковых материалов, в частности полупроводниковых пластин: скрайбирование алмазным резцом, резка проволокой, стальными полотнами, набором ленточных дисков с алмазным слоем, металлическими дисками со свободным аб- разивом, ультразвуковая резка, разделение направленным химическим травлением и др. Наибольшее распространение получили методы раз- деления с помощью скрайбирования алмазным резцом и режущими дисками. Сущность первых двух методов заключается в удалении ча- сти сечения полупроводниковой пластины и образовании концентра- тора напряжений в зоне последующего разламывания. Для принятой схемы разделения полупроводниковых пластин на кристаллы (рис. 2.3) максимальное напряжение на поверхности плас- тины σ0 = M / W, где М – изгибающий момент на единицу длины; W – момент сопротивления при изгибе. Рис. 2.3. Схема разламывания полупроводниковой пластины 21 Напряжение нетто-сечения, обусловленное уменьшением толщи- ны пластины в зоне реза: 0 02 1 , (1 )h H    (2.1) где h – глубина надреза пластины; Н – толщина пластины. Номинальное ослабление прочности пластины характеризуется фактором K1 = 0 / σ0 = Н2 / (Н – h)2 (рис. 2.4). Рис. 2.4. Зависимость фактора K от h/H В зоне резкого изменения поперечного сечения пластины возникает концентрация напряжений при приложении изгибающего момента, характеризующаяся фактором K2 = σmах / 0 , где σmах – максимальное напряжение в основании реза, обусловленное концентрацией напря- жений. Максимальное напряжение, развивающееся в основании надре- за пластины, является функцией соотношений r / (H – h) и h / H. Для качественного разделения пластины σs вдоль линии реза должно пре- высить минимальное напряжение разрушения материала σр (σs >> σр), но одновременно напряжение в точках, расположенных на некотором расстоянии от реза, должно быть значительно меньше σs (σ0 << σs). Значение σs определяется как σs = K1K2σ0 = σ0K. Величина K ≤ 2. 22 Фактор K является комплексным показателем, характеризующим степень ослабления полупроводниковой пластины в местах обра- ботки. Например, для пластины толщиной Н = 400 мкм и парамет- рами обработки h = 1/4H = 100 мкм, r = 25 мкм, фактор K = 4,6, а для пластины с Н = 600 мкм, h = 150 мкм, r = 25 мкм, то фактор K = 5,8. Хотя для второй пластины нужно приложить изгибающую нагрузку почти в два раза большую, условия для направленного разрушения лучше – излом происходит по направлению обработки. Если надрез пластины осуществляется на глубину более четверти ее толщины, K2 достигает максимального значения, а K1 продолжает увеличиваться. Происходит дальнейшее ослабление полупроводни- ковой пластины в местах обработки, приводящее к тому, что доми- нирующий вклад в фактор K вносит K1. Создание концентратора напряжений в полупроводниковой пластине осуществляется по ме- тоду скрайбирования алмазным резцом. 2.2. Скрайбирование алмазным резцом Скрайбирование полупроводниковой пластины с целью создания концентратора напряжений является первой частью двухстадийного процесса разделения, поэтому требования к этой операции в значи- тельной мере вытекают из второй операции – ломки пластины. Раз- ламывание сопряжено с деформацией и разрушением кристалличе- ской решетки полупроводникового материала. Разрушение проис- ходит за счет разрыва межатомных связей и требует приложения напряжения σ = 1/5Е, где Е – модуль Юнга. Разрушение реальных хрупких тел происходит при значительных меньших напряжениях (~1/50 Е). Интерпретация такого расхождения величины напряже- ния разрушения дается теорией Гриффитса, согласно которой кон- центрация напряжений в вершине трещины при разрушении твер- дого тела является фактором, снижающим высокую теоретическую прочность атомных связей. Для полупроводниковой пластины на- пряжение хрупкого разрушения является параметром, зависящим от предшествующей физико-химической обработки. В нормальных усло- виях в кремнии отсутствует заметное пластическое течение, и ос- новным механизмом его разрушения является скол, характеризую- щийся совпадением направления развития трещины с плоскостью спайности кристаллографической решетки. Этот эффект использу- 23 ется при разделении пластины на кристаллы, проскайбированных алмазным резцом. Сущность метода заключается в нанесении на по- верхности пластины рисок глубиной 10–15 мкм и шириной 20–30 мкм специальным резцом с алмазной пирамидой (рис. 2.5). Рис. 2.5. Резец с алмазными пирамидами: а – установка резца; б – трехгранная пирамида; в – четырехгранная пирамида; г – четырехгранная усеченная пирамида За счет больших удельных давлений в зоне нанесения рисок воз- никают локальные механические напряжения, которые являются за- родышами последующего раскалывания. В результате деформации на поверхности пластины возникают микротрещины, которые рас- пространяются вглубь пластины вдоль направлений, параллельных естественным плоскостям спайности. Для кремния наиболее плотно упакованные плоскости (111) и силы связи между ними значительно слабее, чем в самих плоскостях. Технология производства ИС обыч- но использует кремниевые пластины с ориентацией поверхности в плоскости (111). При скрайбировании параллельно ортогональным плоскостям (111) и (110) возможно получение кристаллов, в которых две боковые грани перпендикулярны к плоскости ориентации, а скол происходит по плоскости (110). Две другие грани будут наклонены а б в г 24 к плоскости ориентации под углом ~70º, так как плоскости спайности пересекаются под этим углом. Качество получаемых кристаллов (идентичность размеров, отсутствие сколов) и выход годных во мно- гом определяются величиной изгибающего усилия, прикладываемого к пластине при разламывании, которое зависит от соотношения дли- ны стороны кристалла l и толщины H, причем l / H ≥ 4. Нагрузка на резец выбирается в зависимости от материала пластины, ее толщины, геометрии режущей части и степени износа резца. Скрайбирование алмазным резцом осуществляется со скоростью 10–150 мм/с. Гео- метрические размеры царапин зависят от формы резца. Резец (трех- или четырехгранная пирамида) устанавливается с углом наклона γ = 5–15º. Рис. 2.6 отображает зависимость ширины царапины, созда- ваемой четырехгранным алмазным резцом, от угла его наклона к по- верхности пластины. Рис. 2.6. Зависимость ширины царапины, созданной четырехгранным резцом, от угла его наклона к поверхности пластины В процессе скрайбирования деформации распространяются на ши- рину 50–100 мкм, что необходимо учитывать при проектировании ИС, разделяющие ИМС дорожки, должны иметь ширину не менее 200 мкм. Основной недостаток скрайбирования алмазным резцом – относительно невысокий выход годных кристаллов ИС по разме- рам, геометрической форме, величине сколов, количеству неразде- ленных блоков кристалла, причем с увеличением толщины пласти- ны выход годных кристаллов снижается. К недостаткам – также быстрый износ резца и невысокую скорость скрайбирования пла- стины, т. е. низкую производительность установок скрайбирования. 25 Применение лазера в качестве инструмента скрайбирования полу- проводниковых пластин открыло новые возможности повышения производительности оборудования. 2.3. Лазерное cкрайбирование Скрайбирования полупроводниковых пластин кремния осуществ- ляется лазером на основе кристалла алюмоиттриевого граната (АИГ): Nd (длина волны λ = 1,06 мкм) с непрерывной накачкой от плаз- менно-дуговых криптоновых ламп. При воздействии на пластину импульсом сфокусированного лазерного излучения большой удель- ной мощности (~108 Вт/см2) на ее поверхности образуется лунка (рис. 2.7). Частичное наложение лунок вследствие относительного перемещения излучения образует скрайберный рез. Пороговая мощность, при которой начинается испарение материала, определя- ется температурой плавления кремния Si, коэффициентами тепло- проводности и поглощения. Формирование концентратора напряже- ний достигается за счет ослабления сечения, при этом оптимальная глубина надреза составляет не менее 1/4Н. Рис. 2.7. Образование лунки на поверхности пластины при лазерном воздействии Энергия кванта для АИГ: Nd лазера приблизительно соответству- ет краю собственного поглощения для кремния Si, т. е. лазер должен быть малоэффективным для испарения кремния из-за слабого погло- щения излучения с λ = 1,06 мкм при комнатной температуре. Однако краевое излучение на поверхности пластины сильно зависит от тем- 26 пературы: с ее повышением поглощение усиливается и обеспечива- ется высокая эффективность формирования реза. Лазер работает при скрайбировании в режиме модуляции добротности с длительностью импульса порядка 100–500 нс. Каждый импульс обеспечивает фор- мирование лунки размером, близким диаметру фокального пятна. Для образования скрайберной риски лунки должны перекрываться. Ко- эффициент перекрытия зависит от соотношения частоты импульсов и скорости перемещения столика с пластиной. Пластину закрепляют вакуумным прижимом на столе установки. Скорость скрайбирования выбирают от 100–200 мм/с. Применяемые для скрайбирования лазе- ры АИГ имеют среднюю мощность в одномодовом режиме до 20 Вт и 100 Вт – в многомодовом. Увеличение мощности лазерного скрай- бирования ограничивается: появлением термонапряжений в материале вследствие значительных температурных градиентов (105–106 К/см), которые являются причиной возникновения трещин и разрушения пластины; расширением зоны температурного воздействия излуче- ния, что связано с вероятностью повреждения ИС; экранировкой сфокусированного лазерного излучения продуктами разрушения в виде паров, капель жидкости и плазмы. Лазерное скрайбирование применяется в тех случаях, когда к операции разделения предъявля- ются следующие требования: стабильное разделение при низком ка- честве поверхности скрайбируемой пластины; длительное время не- прерывной работы без замены инструмента; получение кристаллов и подложек прямоугольной формы; разделение тонких (< 200 мкм) пластин на кристаллы размером менее 0,2 × 0,2 мм; разделение хруп- ких материалов и материалов с неровной поверхностью (GaAs, стек- ла, ситаллы и др.); получение полосы скрайбирования менее 25 мкм с общей шириной дефектной зоны менее 50 мкм. Рис. 2.8. Схема защиты полупроводниковой пластины от продуктов обработки лазером: а – продувка газом с отсосом; б – защита стеклом с вакуумным отсосом а б 27 Технологическая проблема при лазерном скрайбировании – за- щита и очистка полупроводниковых пластин от конденсата полу- проводникового материала. Вакуумный отсос продуктов испарения является обязательным для защиты пластины. Используют различ- ные варианты защиты поверхности пластины и фокусирующей оп- тики от продуктов обработки лазером (рис. 2.8), размещение над пластиной прозрачной эластичной ленты, обладающей хорошей ад- гезией к глобулам испаренного материала и предотвращающей их осаждение на поверхность пластины, подачу в зону испарения ве- щества, вступающего в химическую реакцию с продуктами испаре- ний с образованием газообразного соединения кремния, которое удаляется вакуумной или другой откачкой. Применяется также за- щита вакуумным отсосом в сочетании с установкой дополнительно- го защитного стекла для оптики (рис. 2.8, б), которое периодически очищается или заменяется. Наиболее распространена защита поверх- ности пластины пленкой на основе жидких органических поверх- ностно-активных веществ. После скрайбирования поверхность плас- тины очищается от отходов обработки и защитных покрытий ульт- развуковой отмывкой в деионизованной воде. 2.3.1. Скрайбирование химическим травлением Скрайбирование пластин химическим травлением – путем вы- травливания канавок на пластине. Травлению пластин предшеству- ет создание защитной маски на них. Маска предохраняет структу- ры, боковую и нерабочую поверхность пластин от растравливания, оставляя открытыми разделительные дорожки. Маску создают фо- толитографией. При травлении используют анизотропные травите- ли. В процессе избирательного травления профиль получаемых ка- навок ограничивается кристаллографическими плоскостями с наи- меньшей скоростью травления. Так, при изготовлении канавок в кремнии (Si) на плоскости (100) вдоль (110) профиль ограничивает- ся плоскостями (111). Скорость травления плоскостей (111) Si очень мала, поэтому при образовании профиля канавок травление анизо- тропными травителями прекращается. Для вытравливания сквозных канавок необходимо оставлять широкие дорожки (рис. 2.9). Поэтому после вытравливания канавок глубиной 50–100 мкм плас- тины ломают на кристаллы так же, как и после скрайбирования. 28 Ширину канавок можно уменьшить протравливанием с двух сторон пластины. В результате ускоряется травление, но изготовление ма- сок с двух сторон пластины трудоемко. Рис. 2.9. Скрайбирование пластины химическим травлением: а – одностороннее; б – двухстороннее; 1 – маска из фоторезиста; 2 – полупроводниковая пластина С точки зрения качества кристаллов разделение пластин трави- телем превосходит другие способы, однако низкая производитель- ность, точность, воспроизводимость процесса, высокая трудоемкость и необходимость использования токсических травителей препятст- вуют его широкому внедрению в промышленную технологию. 2.4. Ломка пластин на кристаллы После лазерного скрайбирования алмазным резцом или дисковой резки на глубину меньшую толщины пластины, производят разламы- вание пластин на кристаллы. На этой операции брак из-за образования больших сколов на кромках кристаллов и разламывания не по риске, а также из-за царапин на металлизации может достигать 10–15 %. Наиболее распространенными являются методы разламывания про- скайбированных пластин сферой, полуцилиндром и валиком. Чаще всего пластины разламывают механически, при этом качество получа- емых кристаллов определяется приложенным усилием, зависящим от соотношения длины и толщины кристалла, т. е. пропорциональна (l/H)2. Если пластина приклеена на адгезионном носителе (пленке), то хорошее качество разламывания обеспечивается при (l/H)2 ≥ 24. Раз- ламывание пластины на цилиндрических и сферических опорах позво- ляет получать кристаллы с соотношением сторон от 1 : 1 до 1 : 1,5. Рас- пространенным способом ломки является разламывание пластин на кристаллы валиком (рис. 2.10). Для слома пластины на кристаллы по скрайберным рискам прикладывают к ней усилие изгиба. а б 29 Рис. 2.10. Разламывание пластины на кристаллы валиком: 1 – валик; 2 – пленка; 3 – пластина; 4 – эластичное основание (резина) Для этого пластину 3 помещают рабочей поверхностью (риска- ми) вниз на мягкую гибкую (из резины) опору 4 и с небольшим дав- лением прокатывают ее последовательно в двух взаимноперпенди- кулярных направлениях стальным или резиновым валиком 1 диа- метром 10–30 мм. Гибкая опора деформируется, пластина изгиба- ется в месте нанесения рисок и ломается по ним. Таким образом, разламывание происходит в две стадии: вначале на полоски, а затем на отдельные прямоугольные или квадратные кристаллы. Вместо валика нагрузка может быть приложена сталь- ным или фторопластовым клином (призмой) с небольшим радиусом скругления. Валик или клин должны двигаться параллельно направ- лению скрайбирования, иначе ломка будет происходить не по рис- кам. Брак появляется в случае, если полоски или отдельные кри- сталлы смещаются относительно друг друга в процессе ломки. По- этому перед ломкой пластины покрывают сверху тонкой эластич- ной полиэтиленовой пленкой или бумагой 2, что позволяет сохра- нить ориентацию кристаллов в процессе ломки и избежать их про- извольного разламывания и царапания друг о друга. С этой целью пластину перед разламыванием помещают в герметичный полиэти- леновый пакет с откачкой из него воздуха. Если остаются неразде- ленные кристаллы (двойники), их осторожно доламывают специ- альной сферической оправкой или пинцетом. При использовании ручных устройств с валиком возможна ломка пластин не по скрай- берным рискам, так как прикладываемая нагрузка может не совпа- дать с направлением рисок ввиду того, что валик прокатывают по обратной стороне пластины. При ломке вручную трудно контроли- 30 ровать усилие на валике: приложив большое усилие, можно разру- шить хрупкие полупроводниковые кристаллы. Для улучшения качества разламывания применяют установки, в которых валики движутся строго параллельно направлению рисок и имеют регулировку нагрузки. Более совершенным является способ прокатывания пластины меж- ду двумя валиками (рис. 2.11), при котором обеспечивается нагрузка, пропорциональная длине скрайберной риски. Пластину 1, располо- женную рисками вверх, прокатывают между двумя цилиндрическими валиками – верхним упругим (резиновым) и нижним стальным 4. Рис. 2.11. Размалывание полупроводниковой пластины прокатыванием между двумя валиками: 1 – пластина; 2 – валик; 3 – защитная пленка; 4 – стальной валик; 5 – пленка-носитель Для сохранения первоначальной ориентации кристаллов пласти- ну закрепляют на термопластичной или адгезионной пленке-носи- теле 5 и защищают ее рабочую поверхность полиэтиленовой или лавсановой пленкой 3. Расстояние между валиками, определяемое толщиной пластин, устанавливают перемещением одного из них (нижнего). При прокатке более упругий валик, в зависимости от толщины пластины, деформируется, и к ней прикладывается нагруз- ка, пропорциональная площади ее поперечного сечения или длине скрайберной риски. Пластина изгибается и разламывается по рис- кам: вначале на полоски, а после поворота на 90º – на кристаллы. 31 При разламывании на сфериче- ской опоре (рис. 2.12) пластину 2, расположенную между двумя тон- кими пластичными пленками, поме- щают рисками вниз на резиновую диафрагму 3, подводят сверху сфери- ческую опору (выпуклую линзу) 1 и с помощью диафрагмы пневмати- ческим или гидравлическим спосо- бом прижимают к ней пластину, ко- торая разламывается на отдельные кристаллы. Радиус кривизны сферы или полуцилиндра для различных размеров кристаллов должен быть различным. При малой кривизне необходимо создавать большое дав- ление на пластину, которое ограничивает размеры кристаллов ИС, так как при больших размерах возникает угроза повреждения самих кри- сталлов. Достоинствами данного способа являются простота, высокая производительность (ломка занимает не более 1,0–1,5 мин) и односта- дийность, а также достаточно высокое качество, так как кристаллы не смещаются друг относительно друга. Недостатки: невысокий процент выхода годных изделий (до 90 %); разброс кристаллов по размерам (50–100 мкм), что ограничивает возможности автоматизации последу- ющих операций сборки. Этих недостатков практически лишен метод разделения пластин резкой алмазными режущими дисками. 2.5. Резка алмазными режущими дисками Одностадийный процесс разделения полупроводниковых плас- тин сквозным разрезанием ее алмазными режущими дисками, наи- более широко распространен в производстве изделий микроэлек- троники. Он сочетается с методом разделения пластины, приклеен- ной на адгезионный носитель. Резку алмазными режущими дисками характеризуют две взаимосвязанные составляющие (рис. 2.13): ин- струмент – алмазный режущий диск – и режимы резания. Для вы- бранного инструмента устанавливаются режимы резания, и наобо- рот, причем взаимосвязь будет различной при различных характе- ристиках материала резания. При изготовлении алмазных дисков алмазоносный слой получают двумя способами. Рис. 2.12. Разламывание пластин на сферической опоре: 1 – опора; 2 – пластина; 3 – резиновая диафрагма 32 При первом способе смесь ме- ханического и алмазного порошка уплотняют, спекают и охлаждают под давлением. Используется связ- ка типа оловянных бронз, обладаю- щих высокой пластичностью при температуре спекания и обеспечи- вающих прочное сцепление алмаз- ных зерен. Диски, полученные спе- канием, имеют высокие стойкость и точность геометрических разме- ров (рис. 2.13, а и б). Второй – гальванический способ получения алмазного слоя применяют при из- готовлении дисков с внутренней алмазной режущей кромкой. Его недостаток – трудность получения тонких (менее 0,15 мм) дисков из- за нежесткости металлической основы. Алмазный диск (рис. 2.13, в) имеет жесткий алюминиевый корпус, на котором электролитическим осаждением нанесен алмазный слой с никелевой связкой. Лезвия алмазных режущих дисков закрепляются в специальных разборных и неразборных корпусах, причем лезвия бывают синте- зированные, спрессованные и полученные методом гальваностегии. Для разделения пластин из «легких» материалов (Si, GaAs и т. п.) наиболее часто используют алмазные режущие диски, полученные гальваностегией. Сначала изготавливается алюминиевый корпус, на который методом электролитического осаждения наносится никель с алмазными зернами. Затем часть корпуса удаляется химическим травлением для вскрытия режущей кромки. Такие алмазные режу- щие диски относятся к классу корпусных. Они удобны в эксплуата- ции, так как исключают прикосновение оператора к лезвию, обла- дают хорошей взаимозаменяемостью при установке на шпиндель и дают наибольшее приближение ширины реза к ширине лезвия диска, поскольку мала вибрация, также эти диски легко воспроиз- водимы, износостойки благодаря эффективному отводу теплоты от лезвия к корпусу и обладают хорошими режущими свойствами. Их недостатки – высокая стоимость, невозможность использования в на- боре. Резиноидные (синтезированные) и спрессованные диски отно- сятся к бескорпусным. При установке на шпиндель они закрепля- Рис. 2.13. Алмазные режущие диски: а – на металлической основе; б – из алмазосодержащей ленты; в – с жестким металлическим корпусом а б г 33 ются между жесткими фланцами. Основными их преимуществами наряду с возможностью использования в наборе являются много- кратное (до трех раз) применение при замене фланцев и резка на большую глубину, чем корпусные диски. Прокладки для дисков, работающих в наборе, выполняются из алюминия или карбида ти- тана. Фланцы изготавливаются из нержавеющей стали. Фланцы, за- ключающие диск, оказывают наибольшее давление на зерна алмаза. В результате при установке диска возможно искривление лезвия. Правка лезвия такого диска помогает устранить эксцентриситет и заусеницы, т. е. уменьшить ширину реза. Частой причиной поломки бескорпусного диска или превышение ширины реза является непра- вильный выбор крутящего момента фланца или его плохое каче- ство. Фланцы не должны вызывать вибрацию при рабочих частотах вращения шпинделя. Следовательно, использование бескорпусных дисков требует строгого соблюдения условий эксплуатации и свое- временного ремонта элементов их крепления. После установки на шпиндель перед началом работы диски необходимо править. Лезвие правится на 150 мкм глубже необходимой глубины резания на пла- стине. Все алмазные режущие диски подразделяются по толщине и высоте лезвия, а также по размерам зерен алмазного порошка на нем. Характеристики корпусных дисков приведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 Характеристики корпусных дисков Условное обозначение типоразмеров диска Толщина лезвия, мкм Высота лезвия, мкм Максимальная глубина реза, мкм Ширина реза при скорости подачи 100 мм/с, мкм (не более) ДАР2-А 20 250 170 50 Марка дискаАСН 7/5 ДАР2-Б 25 320 240 70 АСН 7/5 ДАР2-1В 35 320 240 90 АСН 10/7 ДАР2-1Г 45 400 320 110 АСН 14/10 ДАР2-2D 55 400 320 130 АСН 14/10 При разрезании пластины необходимо правильно выбрать марку диска, глубину обработки, скорость резания, частоту вращения дис- ка и высоту лезвия. Марку диска выбирают по толщине и высоте 34 лезвия, учитывая, что при малом размере алмазного зерна резко снижается срок службы диска и увеличивается время резания, а при больших размерах алмазных зерен увеличивается величина сколов и ухудшается качество обрабатываемой поверхности. Толщина b режущего лезвия диска выбирается из условия b = (Δp – δt) / 2, где Δp – ширина дорожки разделения, мкм; δt – погрешность позицио- нирования лезвия диска относительно дорожки разделения, мкм. Высота режущего лезвия выбирается на 50–100 мкм больше мак- симальной глубины резания, так как радиальный износ диска при обработке Si составляет 3–5 мкм на длине 100 м резания. Частота вращения – один из факторов, влияющий на стойкость диска и каче- ство реза. Увеличение частоты вращения считается предпочтитель- ным, так как уменьшается глубина врезания зерна в сечение среза, т. е. уменьшается сила резания. Однако при разрезании неметалличе- ских материалов алмазными режущими дисками появляется ряд ограничений, из-за которых оптимальная частота вращения диска составляет 30–40 тыс. об/мин (рис. 2.14) по критерию минимальных сколов по кромкам реза и максимальной стойкости диска. Рис. 2.14. Зависимость Р(Н) от частоты вращения диска Дальнейшее увеличение частоты вращения диска ведет к резкому возрастанию усилия резания. Причина этого – гидродинамические явления, происходящие в зоне разделения (рис. 2.15). Поскольку рез- 35 ка кремниевых пластин производится на относительно высоких ско- ростях, вокруг инструмента возникают воздушные потоки. Поэтому давление струи охлаждающей жидкости, направленной в зону реза- ния, должно пробить воздушную завесу вокруг диска. Например, для обработки кремния при частоте вращения диска 35 тыс. об/мин дав- ление потока охлаждающей жидкости должно быть не менее 1 МПа. Рис. 2.15. Схема подачи воды в зону резания В этом случае жидкость вследствие сцепления с поверхностями обрабатываемой пластины и инструмента затягивается в сужающе- еся пространство в зоне резания. Процесс усиливается за счет каналов, создаваемых алмазными зернами в материале, и вибрации, вызываемой в жидкости выступа- ющими алмазными зернами. Жидкость попадает в клинообразный зазор между пластиной и лезвием. Поскольку жидкость несжимаема, то из условия неразрывности потока следует, что в таком зазоре воз- никает внутреннее гидравлическое давление, стремящееся раскли- нить поверхности. Величина давления создает препятствие для выхо- да отходов обработки. Осколки материала, задерживаясь в зоне раз- работки, препятствуют вращению диска, внедряются в связку, закли- ниваются в зазорах между зернами и блокируют режущее лезвие инструмента. Вылет лезвия бескорпусного диска влияет на режимы резания и качество разделения. При его увеличении уменьшается жесткость системы, происходит искажение формы реза, увеличивает- ся вероятность поломки инструмента. Слишком малый вылет затруд- няет поступление и выход охлаждающей жидкости из зоны резания. Отношение вылета диска к его толщине устанавливается 10–15 %, 36 глубина врезания – 2/3 вылета диска. Оптимальная скорость резания – это наибольшая скорость, обеспечивающая требования к величине сколов, поверхности реза, стойкость инструмента и др. Рекомендуе- мые режимы обработки ряда материалов приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2 Рекомендуемые режимы обработки материалов Обрабатываемый материал Размер алмазного зерна, мкм Частота вра- щения шпин- деля, об/мин Скорость подачи, мм/с Метод обработки Кремний моно- кристаллический 5–7 (30–40)103 100–250 25–150 Надрезание, сквозное разделение Сапфир и кремний на сапфире 30–60 (18–24)10 3 0,2–8 Надрезание Арсенид галлия, фосфид галлия 2–5 (30–40)103 6–20 Сквозное разделение Алюмооксидная керамика 70 (12–18)10 3 6–40 Сквозное разделение Оптическое стекло 20–70 (12–18)103 2–5 Сквозное разделение Ферриты 2–5 (30–40)103 4–40 Надрезание Дисковая резка используется для разделения пластин толщиной более 450 мкм. Ширина рисок зависит от тол- щины алмазной кромки диска и состав- ляет 40–50 мкм. Полученные после раз- резания кристаллы имеют вертикальные боковые грани практически по всей вы- соте (рис. 2.16). 2.6. Резка полотнами, проволокой, ультразвуком Резка стальными полотнами и проволокой применяется, когда не требуется высокая точность изготовления кристаллов и сохранение Рис. 2.16. Дисковая резка 37 их первоначальной ориентации. Набор полотен толщиной 0,05–0,1 мм, шири- ной 5–10 мм и разделительные проклад- ки собирают в пакет, закрепляют в кас- сете, которая совершает при резке воз- вратно-поступательное движение с боль- шой частотой от 400 до 600 движ. ход/мин, и растягивают в продольном направ- лении. Резание осуществляется при по- даче в зону обработки абразивной сус- пензии (рис. 2.17). Резка проволокой – вольфрамовую или стальную проволоку диаметром ~0,1 мм наматывают на вращающие ролики, имеющие канавки с шагом, соответствующим размерам кристаллов (рис. 2.18). Ролики закреплены в кассете, совершающей возвратно-поступатель- ное движение с частотой от 700 до 1000 движ. ход/мин. Для увели- чения срока службы проволоку перематывают с помощью подаю- щей и приемной катушек и одновременно натягивают, подторма- живая подающую катушку. Преимуществом резки полупроводни- ковых пластин на кристаллы проволокой и полотнами является их мягкое абразивное воздействие на обрабатываемый материал, что позволяет разрезать пластины с покрытиями из золота, никеля и других материалов без их отслаивания, а недостатком – возмож- ность обрыва при износе, что приводит к неисправимому повреж- дению разрезаемой пластины. Рис. 2.18. Структурная схема установки для резки пластин на кристаллы проволокой Рис. 2.17. Резка набором стальных полотен 38 Ультразвуковая резка полупроводниковых пластин осуществля- ется в результате воздействия на зерна абразивной суспензии инстру- мента, совершающего колебания с высокой частотой (16–25 кГц) и разрушения этими зернами обрабатываемой поверхности с высокой интенсивностью (рис. 2.19). При образовании канавки ее форма копи- рует форму и размеры инструмента. Благодаря этому УЗ-методом можно вырезать кристаллы сложной конфигурации (круглые с глухи- ми отверстиями, лунками и т. д.). Точность УЗ-обработки зависит в основном от размера зерен абразива, степени износа инструмента, глубины обработки, а также характеристики оборудования. Рис. 2.19. Структурная схема установки УЗ-резки: 1 – УЗ-концентратор; 2 – полупроводниковая пластина; 3 – сопло для подачи алмазной суспензии 2.6.1. Сквозное прорезание пластин Перспективным методом разделения полупроводниковых пла- стин на кристаллы является их сквозное прорезание, которое исклю- чает необходимость операции разламывания. Для сохранения ориен- тации разделенных кристаллов пластины перед резкой закрепляют на адгезионном носителе толщиной приблизительно 75–100 мкм. Носи- тель натянут в спутнике-рамке, выполненной из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм, или полистирола толщиной 2 мм, имеющем направ- ляющие для совмещения с вакуумным столом установок резки кри- сталлов. Рамка имеет центральное отверстие круглой или прямоуголь- ной формы, размер которого на 20–30 мм больше диаметра пластины. 39 Сквозная резка Si-пластин выполняется алмазными дисками с наружной режущей кромкой зернистостью 10/7 мкм на установках для резки при частоте вращения шпинделя 5·104 об/мин и скорости подачи при попутном резании 100–120 мм/с, встречно-попутном – 80–90 мм/с. Установка имеет двупольную систему ориентации с выводом ин- формации на телеэкран, автоматический поворот стола на 90º, систему компенсации износа дисков, их автоматической правки, микропроцес- сорное управление и возможность резки набором из двух-трех дисков. Для сквозной резки пластин применяются бескорпусные (рис. 2.13, а, б) и, при частичном износе, корпусные диски. Для повышения эффек- тивности сквозной резки пользуются устройством гидродинамическо- го крепления бескорпусных дисков, когда передача крутящего момен- та обеспечивается через слой жидкости, благодаря чему улучшается качество резки. Использование сквозной дисковой резки позволяет создавать автоматизированные участки для разделения и подготовки кристаллов к сборке. Все установки могут быть связаны единой вы- числительной и транспортной системами. Автоматическая установка обеспечивает сборку 60 спутников с пластинами за час. Спутники и пластины подаются из магазинов, взаимно ориентируются и посту- пают в рабочую зону, где соединяются в вакуумной камере для предотвращения попадания воздушных пузырьков в зону склейки. Подготовка носителей с пластинами является одной из основных про- блем, сдерживающих широкое внедрение сквозной резки в производ- стве. При разделении методом сквозной резки пластин целесообразно дополнять автоматизированные комплексы оборудованием для авто- матической сортировки и укладки годных кристаллов в кассеты. 2.7. Контроль качества дисковой резки и разламывания пластин Перед началом резки настраивают установку: проводят юстировку оптической системы, наладку механизмов перемещения рабочего стола, вращения и перемещения шпинделя. Проверяют алмазные диски на отсутствие дефектов. Заданную глубину резки устанавли- вают медленным перемещением стола по высоте в направлении дис- ка с помощью шагового двигателя. Оптимальная глубина резания – 2/3–3/4 толщины пластины. Оптимальная частота вращения шпин- 40 деля при резке Si и GaAs – 40 000–45 000 об/мин, скорость продоль- ной подачи для кремния – до 100 мм/с, для GaAs – 7 мм/с. После настройки, установки и задания режимов проводят резку. По оконча- нии резки пластину снимают с вакуумного столика и помещают в кассету, находящуюся в ванне с деионизованной водой для отмыв- ки от продуктов абразивной обработки. При правильной настройке установки и выборе режимов резки разброс размеров кристалла не превышает ±0,02 мм, а сколы на рабочей поверхности кристаллов – 0,01–0,02 мм. Состояние рабочей поверхности пластин, ширину, глу- бину реза на поперечном сколе контролируют с помощью микроско- па ММУ-3 при 200-кратном увеличении. Другим методом контроля глубины является пробное разламывание пластины вручную по по- лученному надрезу. Если полоска легко отламывается, это указывает на недостаточную глубину реза. Визуально и под микроскопом при 100–200-кратном увеличении контролируют наличие неразделенных кристаллов, разломанных не по риске, величину и количество сколов от разламывания, повреждения металлизации. Перспективным является контроль с помощью лазер- ных проекционных микроскопов с 1000-кратным увеличением. 2.8. Оборудование разделения полупроводниковых пластин 2.8.1. Установка скрайбирования пластин Для скрайбирования пластин используются установки «Алмаз» и «Алмаз – М» (рис. 2.20). Основными элементами этих установок являются механизм перемещения стола и резцовой головки с двумя резцами, что повышает производительность, а также устройство визуального контроля процесса. Рабочий цикл: скрайбирование осуществляется возвратно-посту- пательным движением резцов 2, а шаг скрайбирования пластины за- дается перемещением стола 3 вправо или влево. Применение двух резцов позволяет избежать холостого хода резцовой головки и вы- полнять скрайбирование при каждом ее ходе. Поперечное движение столика осуществляется с помощью шагового двигателя, который обес- печивает шаг скрайбирования 0,01–9,9 мм с интервалом через 0,01 мм и 0,02–19,98 мм с интервалом через 0,02 мм. Общий поперечный ход стола равен 85 мм. Шаг скрайбирования может быть выбран раз- 41 личным при перемещении стола влево или вправо и его значение уста- навливают специальными переключателями, расположенными на пе- редней панели установок. Алмазные резцы перемещаются в продоль- ном направлении со скоростью 1–5 м/мин относительно полупровод- никовой пластины. Общий продольный ход резцовой головки состав- ляет 100 мм, при этом предусмотрена его регулировка в пределах от 20 до 100 мм. Рабочий стол имеет вакуумный столик (держатель) для за- крепления скрайбируемой пластины и микровинты его продольного перемещения и точного поворота вокруг своей оси на 2–3º. Для быст- рого фиксированного поворота столика на 90º служит ручка. Пласти- ны загружают на столик и снимают после скрайбирования вручную. Резцовая головка имеет микровинты вертикального перемещения резцов и регулирования их давления на пластину. Точность переме- щения резцов 0,02 мм. Нагрузка на резец обеспечивается пружинами и может изменяться от 0,01 до 2,5 Н. Головка позволяет устанавли- вать резцы под разным углом наклона к рабочей поверхности пла- стины. Для визуального контроля процесса скрайбирования установ- ка снабжена микроскопом или прожектором 1, представляющим оп- тическое устройство с экраном, на котором видны одновременно два изображения разделительной дорожки, что упрощает процесс на- стройки на рабочий режим. Рис. 2.20. Установка «Алмаз»: 1 – проектор; 2 – резец; 3 – стол 42 2.8.2. Установка лазерного скрайбирования полупроводниковых пластин Для лазерного скрайбирования полупроводниковых пластин ис- пользуется установка типа ЭМ-210, внешний вид которой изобра- жен на рис. 2.21. Установка состоит из твердотельного ОКГ (лазе- ра), оптической системы для одновременного фокусирования лазер- ного излучения и визуального контроля процесса скрайбирования, проектора, механизма перемещения рабочего стола и блоков управ- ления. Рабочий цикл (скрайбирование) осуществляется возвратно- поступательным перемещением рабочего стола с одновременной подачей его на шаг в продольном, затем поперечном направлении относительно неподвижного лазерного луча, который взаимодейст- вует с полупроводниковой пластиной при каждом ходе стола. Рис. 2.21. Установка ЭМ-210 лазерного скрайбирования полупроводниковых пластин: 1 – рабочий столик; 2 – объектив; 3 – проектор; 4 – стационарный пульт; 5 – выносной пульт Для обеспечения высокой скорости перемещения рабочего стола в установке применен линейный шаговый двигатель, состоящий из неподвижной плиты – статора, выполненного из ферромагнитного материала, – и подвижного элемента – индуктора, на котором за- креплен рабочий стол. Для перемещения и фиксирования индуктора относительно статора используется сила магнитного взаимодей- ствия между ними. Изменяя поступающими с блока управления сигналами полюсность магнитов, перемещают индуктор с рабочим столом в продольном (по координате х) или поперечном (по коор- динате у) направлении с высокой скоростью (от 50 до 250 мм/с). 43 Для торможения индуктора в конце каждого хода предусмотрено демпфирование. Движение рабочего стола по координатам х и у обес- печивается с шагом от 0,01 мм до 9,99 мм с интервалом 0,01 мм. Об- щий ход стола по каждой координате – 125 мм. Шаг скрайбирования регулируется по каждой координате. Максимальный диаметр скрай- бируемой пластины – 150 мм. На рабочем столе расположен вакуум- ный столик для закрепления полупроводниковой пластины, для его поворота вокруг оси на 2–3º служит микровинт. Загрузка пластины и снятие ее с вакуумного столика после лазерной обработки произво- диться на специальной позиции рабочего стола – «Загрузка». Оптико- квантовый генератор расположен в верхней части корпуса установки, отделен от оператора светонепроницаемым экраном и работает в не- прерывном режиме генерации. Для повышения мощности излучения предусмотрен импульсный режим работы с помощью специального УЗ-модулятора. Частота следования импульсов излучения регулиру- ется от 5 до 50 кГц, длительность импульса – 500 нс. Лазерный луч направляют через поворотные призмы оптической системы установ- ки в зону обработки и объективом 2 фокусируют его в плоскости ва- куумного столика 1 в пятно диаметром 25–30 мкм. Для скрайбирова- ния пластин различной толщины предусмотрена возможность фоку- сировки излучения по высоте в пределах 2–3 мм изменением фокус- ного расстояния объектива поворотной установочной гайкой. Для защиты объектива и рабочей поверхности пластин от разлетающихся при работе расплавленных мелких частиц в нижней части объектива закреплена вакуумная насадка с защитным сменным стеклом. Проек- тор 3 позволяет визуально контролировать процесс лазерного скрай- бирования. Для удобства управления установкой помимо стационар- ного пульта 4 смонтирован выносной пульт управления 5. 2.8.3. Характеристики установок разделения пластин В настоящее время в производстве микроэлектроники применя- ется четыре вида технологических маршрутов разделения пластин, основные операции которых выполняются на специальном обору- довании разделения. Первый маршрут. Полупроводниковая пластина скрайбируется ла- зером (установка ЭМ-220), затем отмывается и приклеивается к адге- зионному носителю (ЭМ-226). Далее производится ломка пластины на 44 отдельные кристаллы (ЭМ-246) и натягивание пленки-носителя с при- клеенными кристаллами на пяльцы (формируется кассета). Основные технические характеристики установок разделения плас- тин приведены в табл. 2.3. Таблица 2.3 Характеристика ЭМ-220 ЭМ-225 ЭМ-2006 Диаметры полупроводни- ковых пластин, мм 60±0,5; 76±0,5 100±1,0; 150±1,0 125±1,0 Ширина дорожек между кристаллами, мкм Не менее 100 Толщина пластин, мм 0,3–0,5 0,3–0,8 0,3–0,8 Пределы перемещений ко- ординатного стола, мм: 230 180 – 230 – 4 – – – по координате х по координате у по координате z Скорость перемещения ко- ординатного стола, мм/с 100–390 1–170 Дискретная величина шага перемещения координат- ного стола, мм 0,01 0,01 0,0025 Пределы перемещений ка- ретки шпинделя по оси у, мм – 150 200 Дискретность величины ша- га перемещения каретки шпинделя, мм – 0,01 0,01 Скорость вращения шпин- деля, тыс. об./мин – 25–50 25–50 Параметры лазера: средняя мощность, Вт длина волны, мкм частота повторения им- пульса, кГц ширина реза, мм глубина реза, мм 16±1,6 1,06 8–50 Не более 0,04 Не менее 0,15 при ско- рости 100 мм/с Не более 0,07 Не более 0,07 до сквоз- ного разделения Система управления Микропроцессорное управление с развитой диагностикой электронных узлов 45 Второй маршрут. Полупроводниковая пластина надрезается на 2/3 толщины с помощью алмазного режущего диска (ЭМ-225), за- тем отмывается, приклеивается (ЭМ-226) к адгезионному носителю и разламывается на отдельные кристаллы. Далее натягиванием плен- ки на пяльцы формируется кассета. Третий маршрут. Неразрезанная полупроводниковая пластина приклеивается к адгезионному носителю (ЭМ-226) и разрезается насквозь алмазным режущим инструментом – диском (ЭМ-225), за- тем натягиванием пленки на пяльцы формируется кассета. Четвертый маршрут. Формируется спутник в виде пленки адге- зионного носителя на пластмассовом каркасе, в котором приклеива- ется пластина (установка ЭМ-2008). Затем пластина насквозь разре- зается и отмывается (ЭМ-2005). Этот маршрут наиболее приспособ- лен к полной автоматизации сборочного процесса. Установки лазер- ного скрайбирования (ЭМ-220) и разделения (ЭМ-225, ЭМ-2006), выполняют наиболее сложные и трудоемкие операции при разделе- нии пластин на кристаллы (табл. 2.3). 2.8.4. Оборудование для ломки пластин В серийном производстве для ломки пластин используется полу- автомат типа УЛП-3 (рис. 2.22), который предназначен для разла- мывания проскрайбированных полупроводниковых пластин диамет- ром до 150 мм с сохранением ориентации кристаллов на адгезион- ной пленке-носителе толщиной 0,005–0,02 мм. Кристаллы получают прямоугольной формы с отношением сторон до 3. В полуавтомате смонтирован механизм ломки 1 с валиками блока 4, блоки 7 (управ- ления) и 8 (питания), пульт управления 5 и микроскоп 2. Там же раз- мещены три манометра, показывающие давление воздуха в маги- страли (не менее 2,5·105 Па), пневмосети полуавтомата и пневмоци- линдре прижима валиков, стабилизатор давления, обеспечивающий создание необходимого усилия разламывания (от 100 до 1500 Н), и динамометр для его измерения. Полуавтомат имеет вакуумную магистраль с давлением не более 0,6·103 Па, подведенную к по- движному столику, который перемещает разламываемую пластину к валикам. Во избежание внедрения осколков кремния в резиновое покрытие верхнего валика его поверхность защищают полиэтиле- новой пленкой, перематываемой с катушки 3 на другой ролик. Для 46 ориентации пластины используют микроскоп, установленный на полуавтомате. Усилие сжатия валиков подбирают эксперименталь- но, изменяя толщину резинового покрытия и диаметр металличе- ских валиков, а также толщину транспортирующей ленты, причем чем меньше размер кристаллов и больше их толщина, тем больше должны быть усилия сжатия. При правильно выбранных режимах количество неразделенных кристаллов на полупроводниковой пла- стине после разламывания не превышает 2–3 %. Рис. 2.22. Установка УЛП-3 разламывания пластин на кристаллы: 1 – механизм ломки; 2 – микроскоп; 3 – катушка; 4 – валики; 5, 7 – пульт и блок управления; 6 – корпус; 8 – блок питания 47 3. ПАЙКА И СВАРКА В ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС 3.1. Пайка: характеристики процесса Пайка – это процесс получения неразъемного соединения нагре- тых материалов с помощью расплавленного припоя, который, взаи- модействуя с ними, после кристаллизации образует паяный шов. Пайка характеризуется смачиваемостью и паяемостью. Свойство соединяемых материалов вступать в физико-химические взаимодей- ствия с расплавленным припоем называют смачиваемостью, а их способность соединяться между собой – паяемостью. Пайкой можно соединять все металлы с неметаллами и неметаллы с металлами, если обеспечивается активация поверхности, при кото- рой между атомами соединяемых материалов и припоем будет уста- новлена прочная физико-химическая связь. Лучшей активацией об- ладают металлы. В производстве полупроводниковых приборов пре- имущественно спаивают металлы с металлом. Для возникновения адгезии необходимо, чтобы расплавленный припой смочил соединя- емые поверхности. Степень смачиваемости оценивается по краевому углу (углу между горизонтальной поверхностью детали и расплав- ленным припоем). Хорошим считается смачивание, когда краевой угол близок к 180 (рис. 3.1), удовлетворительным, когда угол боль- ше 90, и смачиваемость отсутствует, если угол равен нулю. Отсут- ствие смачивания – между металлом и припоем имеется загрязнение. Степень смачиваемости зависит от вида контактируемых материалов, состояния поверхности, а также условий пайки (температуры, газо- вой среды, продолжительности) и свойств припоя (его жидкотекуче- сти и возникающих сил поверхностного натяжения). Рис. 3.1. Угол между горизонтальной поверхностью детали и расплавленным припоем 48 Для очистки металлической поверхности химическим путем при- меняют флюсы, которые разрушают и удаляют окисные пленки и предохраняют очищенную поверхность, пока припой не растечется по ней. Флюсы не должны разъедать соединяемые металлы, вступать в реакции в процессе пайки и должны легко удаляться после пайки. В качестве флюса широко используется канифоль, а также водород и его смесь с другими газами. Канифоль плавится при температуре 150–200 С, хорошо очищает паяемые поверхности от окислов, за- крывает их во время пайки и является изолятором. При пайке микро- схем канифоль удаляется органическими растворителями. Для акти- визации канифоли добавляются химические присадки (кислоты или галогены). Хорошей восстановительной средой являются водород и его смесь с азотом, которые выполняют функции флюса и приме- няются в полупроводниковом производстве. В производстве полупроводниковых приборов и ИМС припои при- меняют при монтаже кристаллов на ножки (в корпуса) или держатели (платы), а также при пайке электродных выводов и герметизации. При сборочных операциях используют оловянно-свинцовые припои ПОС, оловянно-свинцовые эвтектические сплавы и эвтектические сплавы золото-германий и золото-кремний, т. е. мягкие припои, имеющие температуру плавления менее 500 С. При герметизации корпусов пайкой используют твердые серебряные, медно-серебряные эвтектиче- ские и медные припои с температурой плавления выше 500 С, а также мягкие припои с температурой плавления от 85–90 С до 400–420 С. Различие между пайками мягкими и твердыми припоями состоит в преобладании адгезии, которая способствует смачиванию при мяг- кой пайке, при твердой наряду с адгезией – плавление и диффузия. Существует несколько способов дозирования и нанесения припоя. Первый способ – в вырубке из припоя штампом деталей нужной кон- фигурации. Его недостаток – значительные отходы припоя. В другом методе припой гальванически локально наносят на паяемые поверхно- сти. Также припой в нужных количествах наносят в виде рисунка на подложку методом трафаретной печати, для чего приготавливают пас- ту из тонкого измельченного порошка припоя и связующего вещества. Важной характеристикой процесса пайки является растекаемость при- поя – свойство металла или сплава изменять свою форму в жидком состоянии на поверхности твердого тела или в зазоре. 49 Процесс образования паяного соединения состоит из следующих стадий: прогрев паяемого металла до температуры, близкой к тем- пературе расплавленного припоя; растекание жидкого припоя по поверхности твердого материала и заполнение паяного шва; раство- рение основного металла в жидком припое и взаимная диффузия; охлаждение и кристаллизация припоя в паяном шве. Во всех случа- ях пайка завершается кристаллизацией металлической прослойки между соединяемыми поверхностями деталей. Прочность, герме- тичность, электропроводность и другие свойства паянных соедине- ний зависят от правильного выбора конструкции шва. Практически швы подразделяются на два вида: стыковые соединения (рис. 3.2, а) и нахлестные (рис. 3.2, б). Остальные виды соединений представ- ляют различные комбинации этих двух видов. Рис. 3.2. Типы швов паяных соединений: а – стыковое соединение; б – нахлестное соединение 3.2. Особенности процессов пайки в полупроводниковом производстве Широкое распространение пайки в полупроводниковом произ- водстве обусловлено тем, что этим способом возможно изготавли- вать сложные по конфигурации узлы из простых по форме и легких для производства элементов; можно соединить в одном узле детали из различных по природе материалов, причем пайке не требуется сложного дорогостоящего оборудования. Широкая номенклатура припоев и флюсов позволяет осуществлять пайку в промышленных условиях большого количества различных конструкционных мате- риалов. Применение пайки для сборки полупроводниковых прибо- ров не вызвало необходимость создания специальных методов, обо- рудования приспособления и оснастки. В производстве полупро- водниковых приборов и ИМС используют как традиционные, так и вновь разработанные методы. а б 50 Классификация методов пайки, используемых в полупроводни- ковом производстве, в зависимости от применения различных ис- точников теплоты и оборудования дана на рис. 3.3. Рис. 3.3. Классификация методов пайки Пайку в печах применяют для монтажа полупроводникового кри- сталла на держатель, для соединения кристаллодержателя с вольфра- мовыми компенсаторами. Пайку нагретым инструментом и теплооб- меном применяют при монтаже на подложки навесных компонентов, как с предварительной дозировкой припоя, так и при захвате припоя жалом паяльника. Пайка импульсно-нагреваемым инструментом с дозировкой при- поя заключается в разогреве инструментом места пайки (рис. 3.4, а). V-образный инструмент подводится к месту контакта под определен- ным давлением, причем точно контролируется температура пайки. Рис. 3.4. Схема пайки импульсно нагреваемым инструментом: а – пайка сопротивлением; б – пайка с двухсторонним подводом тока; в – пайка сдвоенным электродом; 1 – V-образный инструмент; 2 – припаеваемый проводник; 3 – дозированный припой; 4 – подложка Пайка струей горячего газа заключается в использовании направ- ленного потока воздуха или инертного газа, нагрев и расход которого регулируется. При нагревании газом припой плавится, смачивает по- верхность детали, и после кристаллизации образуется прочное соеди- нение. Этот метод применяется для герметизации корпусов ИМС. а б в 51 Пайка ультразвуковым инструментом – для присоединения тонких токоведущих выводов к облуженной поверхности полупроводниково- го кристалла. При УЗ-пайке используют сопутствующий нагрев – об- щий и косвенный. Пайка сопротивлением происходит под воздействи- ем теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока через паяемые детали. В производстве микросхем наиболее распространены контактная пайка с двусторонним подводом тока и контактная сдвоен- ным электродом (рис. 3.4, б, в). Ее используют для присоединения то- коведущих выводов к кристаллам и для монтажа кристаллов к под- ложкам с помощью припайных прокладок. Пайка погружением получила широкое распространение для пе- чатных плат при одностороннем монтаже навесных компонентов, выводы которых вставляются в отверстия плат. Разновидностями пайки погружением является пайка волной припоя и пайка струей припоя. При пайке волной припоя жидкий припой 5 подается насо- сом из нижних слоев ванны 4 через продольную щель, образуя вол- ну припоя (рис. 3.5). Паяемая плата протягивается горизонтально и соприкасается с верхней кромкой волны припоя. При пайке стру- ей припоя печатная плата движется в горизонтальном направлении над гребнем струи так же, как и при пайке, волной припоя. Струю припоя можно регулировать не только по высоте, но и по направле- нию, что облегчает условия пайки. Кроме того, происходит более интенсивное перемешивание припоя, что способствует эффектив- ной передаче теплоты паяемой плате, обеспечивает большую рав- номерность температуры и состава припоя и более чистую и сво- бодную от оксидов рабочую поверхность припоя. Рис. 3.5. Схема пайки волной припоя: 1 – закрепитель платы; 2 – печатная плата с кристаллами; 3 – волна припоя; 4 – ванна; 5 – расплавленный припой 52 3.3. Контактно-реактивная пайка Контактно-реактивной (контактно-реакционной) называется пай- ка, при которой между соединяемыми металлами в результате кон- тактного плавления образуется эвтектический сплав, заполняющий зазор и кристаллизующийся с образованием паяного соединения. Применяется эта пайка для присоединения полупроводниковых кристаллов к золоченым ножкам. Скорость контактного плавления полупроводников и золота зависит от температуры и усилия, прила- гаемого к сплавленному кристаллу и ножке. Образующаяся при пайке эвтектика имеет высокую активность, хорошо смачивает твердые поверхности и при кристаллизации дает прочное сплошное соединение. В установках контактно-реактивной пайки столик, на котором подогреваются ножки (держатели), обычно нагревают до температуры 410±10 С. Оптимальным считается усилие, равное 0,5–0,7 Н, прикладываемое к инструменту для контактно-реактив- ной пайки. Увеличение усилия приводит к образованию сколов и трещин в кристаллах. Контактно-реактивная пайка – двухстадийная. На первой стадии происходит взаимное растворение в очень тонком контактном слое соединяемых металлов в твердом состоянии, что способствует уве- личению энергии кристаллической решетки и расплавлению твер- дого раствора. На второй стадии интенсифицируется диффузия, в ре- зультате атомы из расплава одного компонента переходят в твер- дую фазу другого компонента, переводя в жидкое состояние все новые слои контактирующих металлов. Контактно-реактивная пай- ка существенно изменяет структуру и свойства материалов в месте их соединения. Для устранения этого явления и активации соединя- емых поверхностей, заключающейся в разрушении окисных пленок, контактно-реактивную пайку выполняют с ультразвуковым воздей- ствием (амплитуда 0,05–0,08 мм) на кристалл, в результате чего кристалл получает возвратно поступательное движение в горизон- тальной плоскости и притирается к фланцу ножки, происходит кон- тактное плавление кремния и золота. Жидкий сплав перемешивает- ся, и происходит соединение ножки с фланцем. Жидкая фаза спо- собствует измельчению окисных пленок и их удалению из зоны. 53 Контактно-реактивная пайка эффективна при соединении кристал- лов с золочеными фланцами при толщине покрытия не менее 6 мкм. При нарушении режима появляются трещины и сколы. Контактно- реактивная пайка полупроводникового кристалла к золоченой по- верхности ножки показана на рис. 3.6, а, б. Рис. 3.6. Контактно-реактивная пайка: а – захват кристалла; б – присоединение кристалла к плате; 1 – вакуумный пинцет; 2 – кристалл; 3 – ножка (корпус); 4 – нагреватель Кристалл 2 подается на ножку 3 и удерживается в течение вре- мени пайки (5–7 с) вакуумным пинцетом 1. Для создания физиче- ского контакта соединяемых поверхностей через вакуумный пинцет подают ультразвуковые колебания, которые, передаваясь кристал- лу, заставляют его колебаться в горизонтальном направлении и он притирается к золотому покрытию ножки. Одновременно к вакуум- ному пинцету прикладывается усилие, которое также передается кристаллу, прижимая его к ножке. Пайку выполняют в среде инерт- ного газа, подогревая ножку нагревателя 4. 3.4. Пайка эвтектическими сплавами Пайка эвтектическими сплавами применяется для присоединения полупроводниковых кристаллов к ножкам (корпусам) и отличается от контактно-реактивной тем, что эвтектический сплав образуется не в результате контактного плавления соединяемых материалов, а вводится в качестве припоя между соединяемыми поверхностями кристалла и ножки. В качестве эвтектических используют сплавы Au-Ge и Au-Si. Подготовленные к пайке детали нагревают в нейт- а б 54 ральной атмосфере до температуры, превышающей температуру плав- ления эвтектического сплава. Эта температура зависит от определен- ного соотношения в них компонентов. Эвтектические сплавы Au-Ge (12 % Ge и 88 % Au) и Au-Si (94 % Au и 6 % Si) имеют температуру плавления соответственно 356 и 370 С, т. е. ниже температуры плавления каждого из этих материалов. Эвтектические сплавы – смеси, а не химические соеди- нения. Сплав Au-Si сложно приготовляется и расслаивается, поэто- му чаще применяют эвтектический сплав Au-Ge ЗлГр 12. Режим пай- ки эвтектическим сплавом ЗлГр 12 на специальной установке сле- дующий: температура поверхности столика 410±10 С усиление на инструмент 0,6–0,74 Н, амплитуда колебаний инструмента 0,08 мм и время пайки 7 с. По сравнению с контактно-реактивной пайкой пайка эвтектическими сплавами имеет преимущества: эвтектические сплавы имеют невысокую температуру плавления, хорошие жидко- текучесть и способность смачивания, а также незначительное время нагрева до температуры пайки. В паяном соединении не создается больших остаточных напряжений, образующихся вследствие разни- цы КТР спаеваемых материалов. Введение эвтектического сплава между соединяемыми поверхностями способствует сглаживанию на них шероховатостей и неровностей. Нерастекшийся припой свидетельствует о плохой смачиваемо- сти им золоченой поверхности ножки и кристалла или о недоста- точно высокой температуре пайки, что является одной из причин низкой прочности паяного соединения. Появление трещин и сколов на кристаллах связано с большим усилием на рабочий инструмент или резким подъемом температуры пайки по сравнению с опти- мальной. Пайка кристалла к ножке эвтектическим сплавом состоит из четырех операций: захвата прокладки 1 из эвтектического спла- ва, ее переноса и укладки на место пайки (рис. 3.7, а, б), захвата кристалла 6, переноса и присоединения его к ножке 3 (рис. 3.7, в, г). Захват, перенос и удержание прокладки кристалла выполняется спе- циальным инструментом. При этом усилие захвата и удержания прокладки создается вследствие перепада давлений. Это усилие называют присосом. 55 Рис. 3.7. Пайка кристалла к ножке эвтектическим сплавом: а – захват прокладки; б – укладка кристалла на ножку; в и г – захват, укладка кристалла на прокладку и их пайка; 1 – прокладка; 2 – вакуумный пинцет; 3 – ножка; 4 – нагреватель; 5 – устройство прижима ножки к нагревателю; 6 – кристалл 3.5. Пайка электродных выводов Присоединение электродных выводов пайкой применяют при из- готовлении мощных полупроводниковых приборов, а также при сбор- ке модулей. Пайку электродных выводов выполняют низкотемпера- турными мягкими припоями на основе олова, свинца и индия в тер- мических установках (печах) непрерывного и периодического дейст- вия в атмосфере защитного газа и на воздухе. Пайку выводов также можно производить нагревом электрическим током (прямым или косвенным), а также паяльником (электрическим или газовым). Пе- ред пайкой детали тщательно очищаются. В термических условиях пайку выполняют в кассетах, в каждой из которых собираются в нуж- ном положении детали. Припой в виде детали определенной формы и размеров также закладывают между соединяемыми элементами. Иногда припой предварительно осаждают гальваническим способам на конце плоских выводов или электрохимическим способом – на конце проволочных выводов. Кассеты изготавливают из термостой- а б в г 56 ких материалов, несмачиваемых припоем. Роль флюса выполняет водород. Процесс присоединения электродных выводов складывается из нескольких этапов: нагрева деталей до максимальной температуры пайки, выдержки при этой температуре и охлаждения с определенной скоростью до температуры 50–100 С. Возможна также пайка элект- родных выводов в вакуумных печах, но процесс малопроизводитель- ный. При присоединении электродных выводов нагревом электри- ческим током импульсы тока можно пропускать непосредственно через соединяемые детали, или использовать дополнительный кон- такт, если есть место для ввода электрода. Иногда места пайки нагре- вают электрической спиралью. Пайку электродных выводов выполня- ют специальным паяльником с миниатюрным наконечником. Присо- единение второго конца электродного вывода к корпусу выполняются теми же способами и на том же оборудовании. В полупроводниковом производстве для пайки электродных выводов используют множе- ство высокопроизводительных автоматов и полуавтоматических уста- новок, разработанных специально для конкретных изделий с учетом спецификации технологического процесса их изготовления. 3.6. Пайка деталей корпусов При изготовлении корпусов соединяют металл с металлом и металл с керамикой. Паяные конструкции корпусов получают, пользуясь твердыми припоями, обеспечивающими вакуумноплотные соединения высокой механической прочности, выдерживающие значительный нагрев. Пайку твердыми припоями выполняют в атмосфере водорода, выполняющего функции флюса. В производстве корпусов использует- ся серебряно-медный припой ПСр-72, которым паяют молибдено- медные сплавы, никель, медь. Также в качестве припоя используют серебро, которым паяют те же металлы, кроме меди. Плавление спла- вов происходит в интервале температур и носит сложный характер. ПСр-72 обладает сравнительно низкой температурой плавления (779 С), почти полным отсутствием взаимодействия между серебром и другими металлами и незначительной критичностью к отклонению технологического режима пайки. Выполняют ее в атмосфере водорода в колпаковых или в конвейерных электропечах. Зазоры между спаива- емыми деталями колеблются в пределах от 0,05 до 1,00 мм. Корпуса полупроводниковых приборов паяют в одно или многоместных кассе- 57 тах, с помощью которых осуществляется фиксирование деталей отно- сительно друг друга. Материал кассет – нержавеющая сталь, графит, керамика и комбинированный. Материал кассет не должен смачивать- ся припоем, вступать во взаимодействие с паяемыми деталями, выде- лять газы и быть жаропрочным, выдерживать много периодических нагревов до температуры пайки и охлаждения до 20 С. Кассета с со- бранными для пайки деталями изображена на рис. 3.8. Рис. 3.8. Кассета с деталями: 1 – грузик; 2 – колонка; 3 – выводная рамка; 4 – двухслойный изолятор; 5 – брометаллитовая керамика; 6 – фланец; 7 – вкладыш кассеты; 8 – основание кассеты Сборка идет в такой последовательности. На вкладыш 7, фиксиру- емый на двух колонках 2 основания 8 кассеты, укладывают фланец 6 из псевдосплава. На те же колонки надевают по два уголковых фикса- тора (на рис. 3.8 не показаны), ограничивающих смещение керамиче- ских деталей в перпендикулярном рисунку направлении. Затем между фиксаторами последовательно помещают навеску припоя, броммели- товую керамику 5, детали из припоя, двухслойный изолятор 4 из ко- рундовой керамики, детали из припоя под выводы выводной рамки 3, 58 а сверху на колонки надевают грузик 1, который своими выступами прижимает выводы к припою и корундовой керамике. В таком виде кассету подают в термическую установку для спаивания деталей корпуса. После выполнения пайки кассету разбирают и извлекают готовый корпус. Пайка металлизированной керамики с металлами состоит в том, что с момента взаимодействия припоя с компонентами металлизации про- исходят сложные физико-химические процессы, отличные от процес- сов, происходящих при соединении двух металлов пайкой. В полупро- водниковом производстве керамику спаивают с никелем, коваром, ме- дью, используя в качестве припоя серебро, медно-серебряный сплав и медь. В начале пайки припоем смачиваются соединяемые поверхно- сти, затем происходит диффузия жидкого припоя по границам зерен металла и растворение смачиваемых металлов в припое, в результате появляются компоненты паяемых металлов. Пайку керамики с метал- лами осуществляют также медью, причем медью можно паять керами- ку, как с молибденовой, так и молибдено-марганцевой металлизацией. Процесс осуществляется при температуре 1100 С. При пайке керами- ки медью, она, проникая под металлические покрытия, ослабляет связь керамики с ним. При пайке керамики с молибденово-марганцевой ме- таллизацией марганцевая шпинель заполняет все молибденовые про- странства, медь на поверхность керамики не проникает и соединение получается надежным. Для создания высококачественных металлоке- рамических сплавов со стабильными прочностными характеристиками при пайке медью предварительно на металлизационное покрытие на- носят плотный слой никеля толщиной 10–12 мкм. Также используется метод при котором вжигание металлизационного слоя керамики сов- мещено с ее пайкой при температуре плавления припоя 1000–1100 С. Для изготовления надежных металлокерамических спаев (конструк- ций) необходимо, чтобы соединяемые между собой керамические де- тали были согласованы по КТР в широком интервале рабочих и экс- тремальных температур. Определенное значение для целостности спа- иваемых материалов имеет их теплопроводность. 3.7. Припои и флюсы для пайки В полупроводниковом производстве к припоям предъявляются следующие требования: они должны обладать хорошей смачивае- 59 мостью и растекаемостью; давать минимум реакций, приводящих к образованию интерметаллических соединений с металлом основы; обеспечивать получение швов, обладающих требуемой механиче- ской прочностью и пластичностью; температура их плавления долж- на быть ниже температуры соединяемых металлов; ТКЛ не должен резко отличаться от ТКЛ основного металла; в паре с паяемым ме- таллом быть корозионно-стойкими; иметь высокую тепло- и элект- ропроводность. Некоторые из этих требований обеспечиваются тех- нологией изготовления припоя, другие – выбором компонентов при- пойных сплавов. Припои подразделяются на два класса: 1) низко- температурные (индиевые, свинцово-оловянные) с температурой плав- ления ниже 450 С; 2) высокотемпературные (на медно-серебряной и золотой основе) с температурой плавления выше 450 С. Виды припоев в полупроводниковом производстве определяются темпера- турой работы их в аппаратуре. Для основных приборов их рабочая температура не превышает 85 или 150 С. Поэтому припой не дол- жен изменять своих характеристик при этих температурах. При сборке полупроводниковых приборов применяют в основном низкотемпе- ратурные припои. Виды припоев, их основные физико-химические свойства и назначение в сборочном производстве полупроводнико- вых приборов и ИМС приведены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Типы припоев, применяемых в производстве полупроводниковых приборов и ИМС Наименование и марка припоя Химический состав Температура плавления, С Назначение Компо- ненты Содержа- ние, % 1 2 3 4 5 Оловянно-свин- цовая Олово 49–57 142–145 Пайка пассивной части Блесурмянистая ПОСК 50 Сурьма Медь Свинец 0,2 0,08 Остальное ИМС, чувствительных к перегреву, гермети- зации Оловянно-свин- цовые посы ПОС-40 Олово Свинец Олово Свинец 60–62 Остальное 39-40 Остальное 183–190 183–238 Напайка металлизиро- ваннных кристаллов, пайка металлокерами- ки, герметизация 60 Окончание табл. 3.1 1 2 3 4 5 Оловянные ПОВИ-0,5 Висмут Олово 0,4–0,5 Остальное 224–232 Припайка кристаллов Gе к платиниту Серебряные ПСР-2,5 Серебро Олово Свинец 2,5 2,5 Остальное 295–306 Герметизация ИМС ПСР-45 Серебро Медь Цинк 45 30 25 660–750 Изготовление деталей корпусов ПСРОС-3-58 Серебро Сурьма Олово Свинец 3 0,5 57,8 Остальное 184–190 Пайка пассивной части микросхем Наиболее широко в полупроводниковой промышленности ис- пользуется припой Sn-Pb эвтектического состава (ПОС-61), а также припой на основе свинца с присадкой серебра. Для получения каче- ственных паяных швов и экономии припоя применяют дозирование припоев. Простейший способ дозирования – применение штампо- ванных шайб и колец. Для пайки круглых деталей припой готовится в виде колец навивкой на оправку проволоки и последующей ее раз- резкой по образующей. Припой в нужных количествах в виде ри- сунка наносят методом трафаретной печати, для чего приготавли- вают пасту, состоящую из тонко измельченного порошка припоя и связующего вещества. Для улучшения условий смачивания при- меняют флюсы, газовые среды и другие средства. Флюсы – неметаллические вещества, служащие для удаления оксидной пленки с поверхности припоя и паяемого материала, для предотвращения образования ее при пайке. К флюсам, используе- мым при пайке, предъявляются следующие требования: температу- ра плавления флюса должна быть ниже температуры начала плав- ления припоя. К началу плавления припоя флюс должен смачивать поверхность основного материала. При температуре пайки расплав- ленный флюс должен полностью удалять оксиды и защищать от окисления основной материал и припой. Флюс не должен терять активности и защитных свойств при длительном нагреве. Продукты флюсования не должны способствовать активному развитию корро- зии паяных соединений. Флюс состоит из основы, растворителя ок- 61 сидной пленки и активных флюсующих веществ. Эти компоненты иногда сочетаются в одном веществе. Процесс флюсования заклю- чается в смачивании основного металла и припоя флюсом, удале- нии с них оксидных пленок, вытеснении флюса из зазора расплав- ленным припоем и защите места пайки от окисления образовавшим- ся шлаком. Флюсы проявляют свое действие в определенном интер- вале температур, который называют температурным интервалом активности флюсов. В зависимости от температуры плавления при- поев флюсы подразделяются на флюсы для низкотемпературной пайки и флюсы для высокотемпературной пайки. Наибольшее при- менение в производстве полупроводниковых приборов и ИМС нахо- дят антикоррозийные флюсы для низкотемпературной пайки. К ним относятся канифоль; остатки канифольного флюса не поглощают влаги и не вызывают коррозии места пайки. Кроме канифольных используются флюсы на основе хлористого цинка. Типы флюсов, используемых в производстве полупроводниковых приборов и ИМС и их физико-химические свойства приведены в табл. 3.2. Таблица 3.2 Физико-химические свойства флюсов Состав и свойства флюсов ФКСп ФПЭ ФКТС ЛТИ-120 ФХЦ Химический состав, % Канифоль Этиловый спирт Полиэфирная смола Этилацетат Салициловая кислота Триэтиламин Хлористый цинк Температура оптималь- ной активности флюса при пайке, С 10–60 90–40 – – – – – 220–240 – – 15–50 85–50 – – – 220–240 15–30 81–65 – – 3–35 1–1,5 – 190–300 20–25 76–86 – – – 1–2 – 230–300 – 20–50 воды – – – – 10–50 140–320 Флюсы используют не только для удаления оксидной пленки, но и для предохранения поверхности металлов от окисления. В полупроводниковом производстве часто применение флюсов недопустимо и тогда используют различные технологические газо- 62 вые среды и вакуум (рис. 3.9). По характеру воздействия на металл газовые среды делятся на нейтральные (аргон, азот) и восстанови- тельные (водород). Возможность пайки в среде определяется стой- костью оксида и активностью самой газовой среды. Чаще применяют пайку в восстановительных средах, реже в нейтральных и редко – в вакууме. Основной восстановительной средой для пайки в полу- проводниковом приборостроении является водород, сухой, очи- щенный от примеси. Во время пайки он интенсивно поглощается металлом, вытесняя другие в металле газы, и легко удаляется сам при обезгаживании приборов. Рис. 3.9. Способы удаления оксидной пленки в процессе пайки В качестве нейтральных сред для пайки также используется азот с аргоном, причем азот применяется тогда, когда нагреваемые мате- риалы не образуют с ним нежелательных соединений. Во время пай- ки в вакууме образующийся в процессе диссоциации оксид непре- рывно удаляется. 3.8. Оборудование для пайки. Оборудование для эвтектической пайки Монтаж кристаллов в корпуса полупроводниковых приборов и микросхем эвтектической пайкой выполняют на специальных уста- новках (типа ЭМ-415 и ЭМ-438). Установка ориентированной пайки кремниевых кристаллов к по- золоченным ножкам (рис. 3.10) состоит из стола, механизмов пере- мещения, нагружения и привода рабочего инструмента 6, микро- скопа 1 с держателем 2, нагревателя 5, газовой и вакуумной систе- 63 мы и электрооборудования. Пайку кристаллов к ножкам выполняют под бинокулярным микроскопом 1 на держателе 2, позволяющем устанавливать его в нужном положении. В поле зрения микроско- па – инструмент, стойка с кристаллами и расположенная на нагре- вателе ножка, вокруг которой создается защитная газовая среда. Охлаждаются ножки с кристаллами обдувом через отверстия в ин- струменте. Действия газовой и вакуумной систем управляются с по- мощью электромагнитных клапанов. Электрооборудование установ- ки обеспечивает подачу энергии к нагревателю, вибратору и авто- матическое управление режимом пайки и сигнализации. Рис. 3.10. Установка ЭМ-415 для пайки кристалов: 1 – микроскоп; 2 – держатель микроскопа; 3 – вибратор; 4 – стойка; 5 – нагреватель; 6 – рабочий инструмент Установка ЭМ-438 имеет шесть исполнений, что позволяет ис- пользовать ее для монтажа кристаллов, на которые оказывается ультразвуковое воздействие. На основании установки размещены механизмы перемещения инструмента, подача ленты и кристаллов, бинокулярный микроскоп, пульт управления, электрооборудование с блоками питания, термо- регулятором и ультразвуковым генератором. Механизм перемеще- ния (рис. 3.11) служит для захвата кристаллов, их транспортировки к месту монтажа специальным инструментом, совершающим дви- жения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. 64 Рис. 3.11. Установка ЭМ-438 (механизм перемещения): 1 – корпус; 2 – направляющая; 3 – груз; 4, 5, 6 – шестерни; 7 – червячный редуктор; 8 – электродвигатель; 9 – рычаг; 10 – кронштейн с толкателем и роликом; 11 – рабочий инструмент Перемещение монтажной головки с инструментом 11 в горизон- тальной плоскости (вперед-назад) осуществляется от электродвигате- ля 8 через червячный редуктор 7, шестерни 4, 5, 6, вал, кривошип – рычагом монтажной головки. Движение инструмента в вертикальной плоскости (подъем и опускание) осуществляется от электродвигателя через червячный редуктор, шестерни, рычаг 9 и толкатель 10, который своим роликом воздействует на планку монтажной головки. Управля- ют механизмом перемещения бесконтактные выключатели. Механизм подачи ленты обеспечивает перемещение на заданный шаг из левой кассеты в правую с одновременным подогревом места монтажа кри- сталла до необходимой температуры нагревателя. Бинокулярный мик- роскоп осуществляет визуальное наблюдение за монтажом кристалла. На пульте управления установкой, расположенной над механизмом перемещения инструмента, находятся кнопки управления, сигнальные лампочки и прибор контроля температуры нагревателя. Электрооборудование (в тумбах стола): блоки питания и управ- ления временем пайки, движением координатного стола и работой установки, терморегулятор, блок питания 27 В и ультразвуковой ге- 65 нератор. Начало работы – нажатие кнопки питания и включение терморегулятора нагрева ленты с заданием температуры. При рабо- те в автоматическом режиме инструмент опускается, захватывая кристалл и удерживая его вакуумом, а затем поднимается. Далее включается импульсный подогрев инструмента и координатный сто- лик перемещается на один шаг, инструмент подходит к месту пайки кристалла (ленте, ножке), опускается на него, и включается ультра- звуковой генератор. Происходит пайка кристалла к ленте или нож- ке. После истечения времени пайки выключается импульсный подо- грев инструмента и ультразвуковой генератор, а включается обдув кристалла. Далее происходит подъем инструмента, выключение об- дува кристалла и перемещение ленты на шаг, после чего цикл рабо- ты установки повторяется. 3.8.1. Оборудование для пайки корпусов Пайку корпусов выполняют в электропечах двух типов: перио- дического действия – колпаковых, непрерывного – конвейерных. Эти печи могут использоваться для герметизации полупроводнико- вых приборов и микросхем в корпуса, а также для пайки кристаллов к ножкам. Колпаковая электропечь имеет два колпака, два механизма их перемещения, две газовые системы охлаждения и по одной системе питания и автоматического регулирования температуры. Поэтому нагрев деталей в колпаках может быть только поочередным. Двой- ные элементы печи имеют одинаковое устройство. Колпак состоит из корпуса и привернутой через прокладку крышки, изготовленных из нержавеющей стали и имеющих двойные стенки (водяную ру- башку). С боков корпуса приварены цапфы, за которые его переме- щают. Внутри колпака расположено шесть экранов для теплоизоля- ции и концентрации тепла в его рабочем пространстве. Внутри кол- пака расположен трехсекционный нагреватель. Подъем и опускание колпака выполняет расположенный внутри шкафа электропечи ме- ханизм перемещения. Газовая система служит для удаления воздуха из подколпачного объема и создания восстановительной технологи- ческой среды. Система охлаждения обеспечивает отбор тепла про- точной водой у нагреваемых элементов печи. Система автоматиче- 66 ского регулирования обеспечивает программное и ручное управле- ние температурой нагрева деталей. Конвейерная электропечь (рис. 3.12) состоит из приборных ос- нований 6, камер загрузки 1 и разгрузки 4, нагревательных камер 2 рабочего канала, водяных холодильников, привода конвейерной лен- ты, систем: газовой, охлаждения, питания и автоматического регу- лирования температуры. Рис. 3.12. Конвейерная электропечь: 1 и 4 – камеры загрузки и разгрузки; 2 – нагревательные камеры; 3 – пульт управления системой охлаждения; 5 – пульт управления газовой системой; 6 – приборные основания; 7 – терморегулирующие приборы тепловой автоматики; 8 – пульт управления конвейерной лентой Камера загрузки представляет металлическую сварную конст- рукцию, в нижнюю часть которой вводится азот для создания воз- душной завесы, а также трубка с проволочным резистором для от- вода и сжигания водорода. Специальные ролики позволяют пере- мещаться камере загрузки при удлинении и сжатии рабочего канала. Камера разгрузки аналогична камере загрузки. Нагревательные ка- меры имеют цилиндрическую форму и состоят из основания и крыш- ки. Проволочные нагреватели подвешены к футировке основания. В нагревательные камеры введены токовводы и термопары. Водя- ные холодильники служат для снижения температуры выходящих из печи изделий. 67 Привод конвейерной ленты состоит из электродвигателя посто- янного тока и редуктора. Газовая система обеспечивает удаление воздуха из нагревательных камер, создание необходимой рабочей атмосферы и завес на входе и выходе из рабочего канала. Все орга- ны управления и контрольные приборы газовой системы располо- жены под разгрузочной камерой. Электропечь получает питание от промышленной сети переменного тока и имеет автоматическую си- стему регулирования температуры по восьми одинаковым каналам. 3.9. Сварка в производстве полупроводниковых приборов и ИМС Сваркой называют технологический процесс образования неразъ- емного соединения двух материалов путем их местного сплавления или совместного деформирования, в результате чего возникают проч- ные связи между атомами соединяемых тел. Поверхностные атомы металла имеют свободные ненасыщенные связи, с помощью которых захватывается всякий атом, приблизив- шийся на расстояние действия сил межатомного взаимодействия. При сближении поверхности двух металлов на расстояние действия сил межатомного взаимодействия по поверхности соприкосновения происходит сращивание двух металлов в одно монолитное целое соединение прочностью, равной прочности металла. При производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем необходимо учитывать ряд особенностей, возникающих при сварке: малые толщины соединяемых элементов (от единиц до сотен микрометров); жесткие ограничения по термомеханическим воздействиям на соединяемые элементы; неизменность физико-меха- нических свойств сварного контакта при термостарении. Способы сварки классифицируют по разным признакам, напри- мер, по виду энергии, используемой при сварке, по состоянии, сва- риваемых металлов, по наличию или отсутствию усилия. 3.9.1. Термокомпрессионная сварка Термокомпрессия – это процесс соединения двух материалов, находящихся в твердом состоянии, при воздействии на них тепла и давления. Температура нагрева соединяемых термокомпрессией 68 материалов не должна превышать температуру образования их эв- тектики и один из материалов должен быть пластичным. На поверхности соединяемых полупроводникового кристалла и электродной проволоки имеется множество выступов и впадин. Если приложить давление к электродному выводу и нагревать по- лупроводниковый кристалл, произойдет пластическая деформация микровыступов электродного вывода и частичная деформация мик- ровыступов вывода и взаимное затекание соединяемых материалов в микровпадины, то есть термокомпрессионная сварка. При такой сварке образуется прочная адгезия между полупроводниковым кри- сталлом и электродным выводом и создается надежный электриче- ский контакт, причем чем пластичнее материал электродных выво- дов, тем больше коэффициент адгезии. Золото и алюминий по срав- нению с другими материалами имеют наибольший (1,84) коэффи- циент адгезии. В производстве полупроводниковых приборов термо- компрессией соединяют следующие пары металлов: Au-Si, Au-Ge, Au-Al, Al-Al, Au-Ag, Al-Ag. Присоединение электродных выводов термокомпрессией выполняется в виде одной или нескольких плос- ких точек, шарика, а также встык и внахлестку. В зависимости от принятого технологического процесса термокомпрессию разделяют на шариковую, клином, сшиванием. Шариковая термокомпрессия (рис. 3.13, а) реализуется: шарик 5 на конце проволочного вывода может быть получен оплавлением электродной проволоки 1 в пламени водородной горелки 4 или при- косновением к электрическому разряднику. При оплавлении в водородном пламени получают один или два шарика: один остается свободным на конце уже присоединенного вывода, а другой находится в капилляре 3 (инструменте) и предна- значен для приварки очередного электродного вывода к кристаллу 7 и контактной площадке 8. Один шарик в водородном пламени по- лучают, если горелку используют только для оплавления конца про- волоки в шарик, выходящий из капилляра, а не для отделения при- соединенного электродного вывода. С помощью разрядника на конце проволоки образуется только один шарик, которым электродный вывод присоединяют к контакт- ной площадке кристалла. Второй конец электродного вывода при- соединяется к корпусу 9 внахлестку. 69 Рис. 3.13. Виды соединения термокомпрессионной сваркой (ТКС): а – шариковая ТКС; б – ТКС клином; в – ТКС сшиванием; г – ТКС с использованием птичьего клюва; 1 – электродная проволока; 2 – зажимное устройство; 3 – капилляр (рабочий инструмент); 4 – водородная горелка; 5 – шарик; 6 – электродный вывод; 7 – кристалл; 8 – контактная площадка; 9 корпус (подложка); 10 – форма места соединения; 11 – клин; 12 – сопло; 13 – ножницы; 14 – птичий клюв Термокомпрессия клином (рис 3.13, б): сначала необходимо сов- местить контактную площадку 8 кристалла 7 с инструментом, конец электродной проволоки 1 (вывода) с концом инструмента – клин 11. Затем после сварки, вытянув проволоку из сопла 12, проделать те же манипуляции для присоединения второго конца проволоки 1 к корпу- а б в г 70 су 9. Далее следует отделение электродного вывода от остальной части проволоки, которое выполняется обрывом, ножницами, перерезанием иглой о край траверсы (вывод корпуса) или обрезкой специальным устройством. В этом случае конец проволоки не сплющивается и не остается длинных концов – причин образования закороток. Термокомпрессия сшиванием (рис. 3.13, в): инструмент пред- ставляет собой капилляр 3 с вертикальным осевым отверстием. Про- цесс создания проволочных перемычек между кристаллом 7 и кор- пусом 9, в общем случае напоминает обычное шитье. Только при шитье нитка проходит через боковое отверстие иголки, а при тер- мокомпрессии сшиванием – через вертикальное осевое отверстие инструмента. После приварки конца электродной проволоки 1 к крис- таллу 7 ее вытягивают через капилляр 3, совмещают его с контакт- ной площадкой 8, выполняют вторую сварку, а затем обрезают нож- ницами 13, загибая свободный конец под инструмент. Термокомпрессия инструментом в виде птичьего клюва (рис. 3.13, г) относится к термокомпрессии сшиванием. Главное от- личие этих видов присоединения электродных выводов заключается в устройстве инструмента – птичьего клюва 14, состоящего из двух частей, между которыми пропускают электродную проволоку 1. По- сле выполнения обеих сварок проволоку обрывают, перемещая ин- струмент в сторону от места сварки. Необходимо отметить, что каж- дый способ термокомпрессии характеризуется своим отпечатком 10 инструмента на электродном выводе. Наиболее производительна ша- риковая термокомпрессия, но ее применяют при сборке полупровод- никовых приборов, имеющих большие контактные площадки, исполь- зуя электродную проволоку диаметром более 20 мкм. При термоком- прессировании золотой электродной проволоки к Si-кристаллу темпе- ратура нагрева составляет 350–380 С, давление – 60–100 мН/м2, а вре- мя выдержки – 2–20 с. При соединении золотой проволоки с золотой пленкой на пленке двуокиси кремния температура нагрева должна быть 250–370 С, давление – 60–100 мН/м2, а время – 0,05–2,00 с. Основным достоинством термокомпрессионной сварки является то, что без применения флюса и припоев можно соединять металлы в твердом состоянии при сравнительно низких температурах и ма- лой их деформации (10–30 %) как на воздухе, так и атмосфере фор- мигаза или сухого азота. Термокомпрессией сваривают такие пла- 71 стичные металлы, как алюминий, золото с тонкими нанесенными на полупроводник металлическими пленками, некоторыми проводни- ками (медью, коваром) и диэлектриками (ситаллом, SiO2). Термо- компрессия обладает высокой технологичностью, заключающейся в простоте подбора режимов и изготовления оборудования, а также возможности контроля качества сварки. Недостатки термокомпрессии – ограниченное число пар сваривае- мых металлов, высокие требования к качеству соединения поверхно- стей и сравнительно низкая производительность. Для присоединения электродных выводов термокомпрессией используются специальные установки, отличающиеся особенностями конструкции, в основу ко- торых заложены три технологических признака: способ нагрева, кон- струкция инструмента и вид термокомпрессионной сварки. В различ- ных установках термокомпрессии нагреваются столик, инструмент или инструмент и столик одновременно. Разновидностью термокомпрессии является сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН) инструмента, изготовленного из жа- ропрочного материала, который служит проводником электриче- ского тока (рис. 3.14). Рис. 3.14. Сварка косвенным импульсным нагревом: 1 – инструмент; 2 – электродная проволока; 3 – кристалл; 4 – корпус (подложка); 5 – столик При импульсном пропускании электрического тока происходит кратковременный нагрев инструмента, в результате чего можно сва- ривать электродные выводы из малопластичных металлов (Сu, спла- вов Ag) с тонкими металлическими пленками, нанесенными на кера- мику или полупроводниковый материал. 72 3.9.2. Ультразвуковая сварка Ультразвуковая сварка – это процесс соединения двух материалов, находящихся в твердом состоянии, при незначительном нагреве с при- ложением определенного давления и колебаний ультразвуковой часто- ты. При ультразвуковой сварке температура нагрева в зоне контакта не превышает 50–60 % температуры плавления свариваемых материалов. Контактное давление зависит от механических свойств свариваемых материалов и размеров изготавливаемых из них деталей. Деформация деталей не превышает 5–20 % их первоначальных размеров. УЗ-сварку выполняют в интервале частот от 18 до 250 кГц. Ультразвуковые ко- лебания, воздействуя на соединение, нагревают его, освобождают от загрязнений и окислов, ускоряют пластическую деформацию элект- родного вывода, зачищают поверхности в зоне контакта, в результате происходит сближение физически чистых поверхностей на расстояние действия межатомных сил, взаимная диффузия и прочное соединение двух материалов. При УЗ-сварке не используют флюсы и припои – важное достоинство. Этим способом можно соединять разнородные разнотолщинные материалы и трудно свариваемые. С помощью УЗ хорошо свариваются электродные выводы из Au, Al, Ag на ситалле, алюминиево-электродные выводы с алюминиевой пленкой, нанесен- ной на стекло, оловянные и оксидно-кремниевые, золотые и медные проволочные выводы ИМС с золотым покрытием. В установках УЗ- сварки применяются различные системы передачи УЗ-колебаний. Для приварки проволочных выводов и микросхем обычно применяют уль- тразвуковую продольно-поперечную колебательную систему с ин- струментом, совершающим колебания изгиба (рис. 3.15). Рис. 3.15. Установка приварки проволочных выводов с применением продольно-поперечных УЗ-колебаний инструмента: 1 – преоброзователь (вибратор); 2 – понцетратор (волновой); 3 – электродный вывод; 4 – крисстал; 5 – устройство крепления; 6 – обмотка возбуждения; 7, 8 – обмотки возбуждения и подмагчивания 73 УЗ-колебания от преобразователя 1 передаются по концентратору (волноводу) 2 расположенному перпендикулярно ему сварочному инструменту 3, который передает их проволочному электродному выводу 4 и кристаллу 5. Инструмент, совершая колебания изгиба, воздействует на электродный вывод, притирая его к кристаллу. По- верхности контакта очищаются, нагреваются, сближаются, и проис- ходит взаимная диффузия атомов, в результате чего образуется проч- ное соединение электродного вывода с кристаллом. Прочность со- единений, полученных УЗ-сваркой, зависит от амплитуды и частоты УЗ-колебаний инструмента, контактного усилия на свариваемые мате- риалы, времени сварки и мощности колебательной системы. Ампли- туду и частоту колебаний инструмента подбирают опытным путем для каждой пары материалов определенной толщины. Так, для материалов небольшой толщины используют малые амплитуды (0,005–0,015 мм) и повышенные частоты до 100 кГц. Пластическая деформация мате- риалов зависит от их физико-механических свойств, толщины и при- ложенного контактного усилия, а также состояния поверхностей. Для электродных выводов диаметра от 20 до 50 мкм контактное усилие лежит в пределах 0,05–0,1 Н (5–100 гс). Мощность колеба- тельной системы определяется конструкцией установки, а время сварки зависит от выбранных амплитуд и частоты колебаний инст- румента, контактного усилия, а также свойств свариваемых матери- алов, их толщины и равно от нескольких сотых до несколько деся- тых долей секунды. Свариваемые поверхности должны быть чис- тыми, не иметь жировых клеток, грубых дефектов. Основным усло- вием высококачественной ультразвуковой сварки является свобод- ное контактирование соединяемых поверхностей. Интенсификации процесса ультразвуковой сварки способствует косвенный импульс- ный нагрев инструмента. Одновременное воздействие ультразвуко- вых колебаний и импульсного нагрева инструмента на соединяемые материалы повышает прочность сварного соединения при меньшей деформации выводов и позволяет соединять между собой трудно свариваемые материалы. 3.9.3. Микроконтактная сварка Микроконтактная сварка – это процесс присоединения провод- ников толщиной более 20 мкм к тонким металлическим пленкам 74 при прохождении импульса электрического тока через свариваемые материалы и приложения некоторого давления. По своему принципу микроконтактная сварка аналогична кон- тактной, используемой в полупроводниковом производстве для гер- метизации корпусов, когда соединение деталей осуществляется с по- мощью двух электродов, подводящих сварочный импульс и пере- дающих усилие сжатия на элементы с разных сторон. Такая сварка называется двухсторонней. Односторонняя микроконтактная сварка отличается от двусто- ронней невстречным расположением электродов. Выполняется одно- сторонняя микроконтактная сварка двумя электродами (рис. 3.16, б), сдвоенным расщепленным (рис. 3.16, в) или строенным (рис. 3.16, г) электродом. Рис. 3.16. Основные варианты микроконтактной сварки: а – двухсторонняя сварка; б – односторонняя сварка с разнесенным переходом; в – односторонняя сварка со сдвоенным электродом; г – односторонняя сварка со строенным электродом Односторонняя сварка двумя электродами используется для со- единения тонких проводников (проволоки или ленты) с относительно толстыми пленками (более 20 мкм) в местах, допустимых для разме- щения двух электродов. При этом импульс электрического тока про- ходит от электродов через слой металлизации. Первоначально ток а б в г 75 проходит через проволочный проводник (верхнюю деталь), сопро- тивление которого по мере нагрева увеличивается; наступает момент, когда ток раздваивается и начинает проходить через слой металлиза- ции (нижнюю деталь), что способствует выравниванию температур нагрева деталей. Односторонней сваркой сдвоенным и строенным электродами присоединяют плоские и проволочные выводы диамет- ром от 20 до 250 мкм к тонким пленкам. Зазоры между электродами должны быть в пределах от 10 до 1000 мкм. Так как при микроконтактной сварке электроды устанавливают сверху на привариваемый вывод и прижимают к пленке контактной площадки, электрический ток проходит через вывод, разогревает его и сварка проходит под электродами или в зазоре в зависимости от контактного сопротивления. При микроконтактной сварке стро- енным электродом нагрев осуществляется трехфазным током, что создает равномерный нагрев свариваемых деталей, требуется мень- шая мощность сварочного импульса и не происходит перегрев про- водника в межэлектродных зазорах. Микроконтактную сварку раз- деляют на два вида: плавлением и сопротивлением. При сварке плавлением оба соединяемых металла разогревают до температуры плавления и при охлаждении в сварной точке образует- ся ядро с литой структурой. К этому виду сварки относится двухсто- ронняя микроконтактная сварка. При сварке сопротивлением быстрее до температуры пластического состояния разогревается вывод, и в момент приложения усилия сжатия происходит его пластическое деформирование и взаимное схватывание атомов свариваемых ме- таллов с образованием прочного соединения. Такое соединение ха- рактерно для односторонней микроконтактной сварки. Микрокон- тактная сварка обеспечивает надежное присоединение электродных выводов из различных материалов в широком диапазоне размеров к тонким металлическим пленкам. Недостатки – из-за неправильно подобранного режима возможны поломки полупроводниковых кри- сталлов, ухудшение электрических параметров p–n-переходов, зна- чительная деформация электродных выводов в месте присоединения. Максимальная прочность приварки электродных выводов контактной сваркой получается при оптимальном подборе формы сварочного импульса по длительности нарастания напряжения и тока, а также усилия сжатия свариваемых деталей. Эти детали и инструмент под- готовлены к сварке согласно принятому технологическому процессу. 76 3.9.4. Диффузионная сварка Диффузионная сварка – это способ получения в твердом состоянии монолитного соединения, образующегося при максимальном сближе- нии контактных поверхностей на расстояние действия межатомных сил в результате локальной пластической деформации при повышен- ной температуре, обеспечивающей взаимную диффузию в поверх- ностных слоях соединяемых материалов в вакууме или защитном газе. Этой сваркой соединяют металлы с металлом, металл с неметаллом, а также неметалл с неметаллом, т. е. такие материалы, которые другими способами не соединяются. Диффузионная сварка не требует дорого- стоящих припоев, электродов, флюсов, защитных газов и механиче- ской обработки выполненных соединений; не образует окалины, шла- ка, грота; свариваемые детали не коробятся и свойства металлов в зоне соединения не изменяются, так как сварка происходит при невысоких температурах и давлениях; отпадает необходимость в термообработке. При сварке исключаются потери ценного металла, не увеличивается масса изделий, повышается качество и увеличивается срок службы. Диффузионная сварка применяется при соединении деталей из труд- носвариваемых между собой материалов с деталями из дорогих и де- фицитных материалов, с деталями из малоценных материалов, а также при ремонте деталей, соединяя изношенную часть с новой. Диффузи- онная сварка характеризуется основными контролируемыми парамет- рами: температурой, давлением и зависящим от них временем вы- держки. Температура при сварке однородных материалов должна со- ставлять 0,5–0,7 температуры их плавления, а разнородных – ту же величину, но материала с более низкой температурой плавления. Нагрев при диффузионной сварке ускоряет взаимную диффузию ато- мов через соединяемые поверхности, снимает макронеровности, обра- зует более плотный контакт. Давление должно быть таким, чтобы в результате деформации все пустоты были заполнены металлом. При приложении давления разрушаются также окисные пленки. Время диффузионной сварки должно быть минимальным, но достаточным для создания плотного контакта и протекания взаимной диффузии атомов соединяемых материалов. На диффузионную сварку влияют дополнительные факторы: необходима бескислородная атмосфера (ва- куум – не ниже 1,33 Па, инертный газ), чисто обработанные и хорошо пригнанные друг к другу соединяемые поверхности. 77 Выполняют диффузионную сварку на специальных установках – вакуумной камере с охлаждаемой водой рубашкой, высокочастотном индукторе для нагрева свариваемых деталей и гидросистеме для по- дачи на них давления. В полупроводниковом производстве диффузи- онной сваркой соединяют керамику с металлом, молибден с медью или сталью и др. Предварительно детали обрабатывают. Металличе- ские детали травят в кислотах, отжигают в атмосфере усушенного водорода. Керамические детали шлифуют, промывают в горячем мыльном растворе, обезжиривают, прокаливают при 1400–1500 С в атмосфере водорода для устранения поверхностных дефектов и на- сыщения поверхностного слоя керамики стеклофазой. Диффузион- ной сваркой соединяют металл как с металлизированной, так и неме- таллизированной керамикой. Режим диффузионной сварки в водоро- де карундовой неметаллизированной керамики с бескислородной медью: температура сварки – 1030–1060 С; удельное давление – 1,8107 Н/м2; время выдержки – 12–15 мин. Диффузионную сварку выполняют и в обычных колпаковых печах, если вместо теплообмен- ника установить устройство для создания давления на соединяемые детали, расположив рабочую часть его в горячей зоне колпака. 78 4. СБОРКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС. МОНТАЖ КРИСТАЛЛОВ Под сборкой полупроводниковых приборов и ИМС понимают совокупность технологических операций, при выполнении которых получают готовые изделия. Подготовительной операцией перед сбор- кой является визуальный контроль, при котором удаляются отбра- кованные по электрическим параметрам кристаллы (с метками мар- кировки) с остатками фоторезиста, механическими повреждениями и другими дефектами. Важнейшая операция сборки – монтаж кри- сталлов на корпус или плату. 4.1. Роль монтажа в техпроцессе сборки полупроводниковых приборов и ИМС Монтаж кристаллов в корпуса или на платы должен обеспечивать прочное механическое соединение, надежный электрический кон- такт, хороший теплоотвод. Выбор способа монтажа зависит от кон- струкции, назначений и условий эксплуатации полупроводниковых приборов и ИМС. При монтаже кристаллов используют четыре мето- да их присоединения: стеклом, пластмассой, приклеиваением низко- температурную и эвтектическую пайку. Достоинством присоедине- ния кристаллов стеклом является низкая стоимость, хорошее согла- сование по ТКЛР с соединяемыми материалами, а также возмож- ность выполнения в многовыводных корпусах одновременно с пласт- массовой герметизацией монтажа кристаллов и выводов. Монтажом в полупроводниковом производстве называют операции по крепле- нию кристаллов со сформированными в них активными областями в корпуса (на ножки, кристаллодержатели). При монтаже достигают- ся требуемое расположение кристалла, прочное механическое соеди- нение, надежный электрический контакт и хороший теплоотвод. По- сле монтажа кристаллов проводится разводка выводов и герметиза- ция приборов и ИМС. Операции монтажа кристаллов и подложек в корпуса относятся к наиболее важным и ответственным в техпро- цессе сборки. В зависимости от назначения прибора кристаллы могут присоединяться и к промежуточному элементу-термокомпенсатору на плату. Используются наиболее эффективно для присоединения кристаллов пайка эвтектическими припоями, пайка низкотемпера- 79 турными припоями, присоединение с помощью легкоплавких стекол, приклеивание токопроводящими и токонепроводящими клеями. Ин- тенсивно проводятся исследования по разработке процессов присо- единения кристаллов методом трехфазной сварки, в частности диф- фузионной. При выборе способа монтажа кристаллов учитываются конструктивные особенности прибора, его электрические и тепловые характеристики, тип корпуса и другие показатели. 4.2. Монтаж кристаллов и подложек методом приклеивания Метод приклеивания, обладая опасностью химического загрязне- ния и газовыделения, нестабильности термических и электрических характеристик клея, в настоящее время является наиболее распро- страненным по сравнению с другими способами вследствие ряда преимуществ: простоты технологии, возможности подбора материа- лов с комплексом необходимых свойств, соединения самых разнооб- разных материалов в различных сочетаниях, упрощении конструкции узлов, снижения расхода материалов. Клеевые соединения позволяют получать соединительные швы с электроизоляционными, оптически- ми, токопроводящими и другими заданными свойствами. Недостат- ки – низкая теплопроводность и сложность замены кристаллов. Клеи, используемые для крепления кристаллов и подложек к корпусу по- лупроводниковых приборов и микросхем, должны: обеспечивать хо- рошую прочность соединения и сохранения своих физико-химиче- ских свойств в диапазоне рабочих температур; иметь коэффициент термического расширения, близкой к ТКЛР склеиваемых материа- лов; иметь высокую химическую стойкость; обладать высокими электроизоляционными и оптическими свойствами; иметь степень вязкости, обеспечивающую удобство работы; выдерживать воздей- ствие температуры при последующих технологических операциях. Современные клеи соединяют любые материалы, образуя высоко- прочные долговечные элементы, работающие в широком интервале температур и различных климатических условиях. Широко приме- няются токопроводящие клеи, имеющие невысокую температуру от- верждения и малое время полимеризации. Их использование дает возможность исключить пайку элементов или применения эвтектики золота при посадке кристаллов. Соединение элементов приборов 80 этими клеями дает надежный электрический контакт на различных подложках. Клеи – полимерные материалы, их пленки при высуши- вании – типичные изоляторы, т. е. не проводят электрический ток. Чтобы клей был электропроводящий, в него добавляют порошок се- ребра. После замешивания серебряного порошка клей превращается в густую пасту. С увеличением количества серебра прочность склеи- вания уменьшается, но растет электрическая проводимость. Поэтому подбирается оптимальное количество серебра, чтобы эти показатели были оптимальными. Обычно электропроводящие клеи содержат от 60 до 80 % серебра. В качестве полимерной основы (связующего) используют обычно эпоксидные смолы. Клеи на основе жидких эпоксидных смол имеют ряд преимуществ: в присутствии отвердите- лей они могут затвердевать при низкой (комнатной) температуре, усадка клея (уменьшение объема) мала. Монтаж кристаллов приклеиванием применяют при изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС общего назначения, так как он прост, экономичен, не требует сложного технологического оборудо- вания. В качестве клеев используются пластмассы – обычно эпок- сидные смолы, которые обеспечивают достаточную механическую прочность и надежность соединений и имеют низкую температуру отвердевания, что исключает ухудшение параметров полупроводни- ковых приборов и ИМС вследствие перегрева кристалла. В зависи- мости от свойств пластмассы их подразделяют на диэлектрические, теплопроводящие и оптические. Для монтажа кристаллов оптоэлект- ронных приборов (фотодиодов, цифровых индикаторов и др.) требу- ются пластмассы, не содержащие наполнителей, обладающие высо- кой прозрачностью в диапазоне длин волн 300–700 нм, не изменяю- щейся в процессе эксплуатации, малой вязкостью (400–3000 СП) и отверждающиеся при 90–125 С в течение 4–24 ч. В жидком состоянии клеи практически не проводят ток, даже ес- ли содержат много серебра. После затвердевания клеевая пленка – хороший проводник с ρv = 0,010–0,001 Ом/см. Используются элек- тропроводящие клеи, затвердевающие при комнатной температуре. Они – двухкомпонентные, поступают в производство в двух упаков- ках: в одной – смола, разбавитель и серебро, в другой – отвердитель, который вводят в клей непосредственно перед операцией склеива- ния. Применяются также клеи, которые затвердевают при нагреве 81 до 120–180 С. Они обычно однокомпонентны. Срок годности клея – его жизнеспособность – составляет от 30 мин до 24 ч (у однокомпо- нентных – до года). Особую группу представляют теплопроводные клеи, которыми можно соединять детали приборов, выполненные из различных материалов: с их помощью обеспечивается теплоотвод от тепловыделяющих элементов. Для получения прочного и надеж- ного в эксплуатации клеевого соединения нужно обеспечить хоро- шую смачиваемость склеиваемых поверхностей; высокая смачивае- мость – основное условие склеиваемых материалов. Клеи готовят непосредственно перед употреблением: смесь пере- тирают до образования густой однородной массы, не содержащей комков и крупинок. В полученную смесь вводят отвердитель и тща- тельно перемешивают композицию, добавляя в нее соответствую- щий растворитель для получения нужной вязкости. Каждую приго- товленную партию контролируют по внешнему виду и вязкости. При монтаже кристаллов клей наносят либо на их обратную сторо- ну, либо на корпус. Клей наносят несколькими способами на под- ложку: вручную, с помощью трафаретной печати или специальных дозирующих устройств. Вручную клей наносят иглой, кистью, мон- тажной лопаткой или шприцем. Этот способ не требует сложных ин- струментов, но малопроизводителен и не обеспечивает равномерности нанесения клея по поверхности. Способ трафаретной печати (распы- лением) является более эффективным, так как точно определяются количество и площадь нанесения клея. Недостатки – для каждой схе- мы своя маска, установка компонентов ведется в несколько приемов. Широко применяются для нанесения клеевых композиций микродози- рующие устройства, преимущества которых – строгая дозировка клея (для дозирования используются либо импульсы сжатого воздуха, либо печать специальным инструментом типа пуансона). Дозирующие устройства легко перестраивать, изменяя время выдержки, давление воздуха или применяя дозатор с другим диаметром иглы. Изображенный на рис. 4.1 дозатор представляет емкость, запол- ненную компаундом, клеем или полимером, в которую от пневмо- станции импульсами подается сжатый воздух. Количество вещества дозируется на конце сменных дозирующих элементов – иглы или воронки. Доза определяется изменением длительности импульса подачи сжатого воздуха, его давлением и подбором соответствую- 82 щих размеров дозирующих элемен- тов. Отсутствие в дозаторе движу- щихся механических частей, сопри- касающихся с вязкими веществами, обеспечивает его надежную, продол- жительную работу и удобство об- служиванием. Дозирующая система позволяет контролировать подачу клеевых материалов с большой точ- ностью и повторяемостью. В зави- симости от размеров сопла можно получать капли клея диаметром от 0,1 мм и выше. Одновременно с на- несением капли клея производится установка вакуумным захватом крис- талла, контактные площадки которого ориентируются относительно контактных площадок основания. Кристаллы приклеиваются либо в кассетах, либо бескассетным способом. Давление при склеивании необходимо почти для всех типов клеев, причем оно зависит от соста- ва клея, его влажности и определяется способностью клея к растека- нию. Собранную арматуру направляют на обработку при повышенных температурах, если применены клеи холодного отвердевания. Прочность клеевого соединения должна составлять (12,5–15,0)106 Н/м2. До отвердевания клеевого шва необходимо уда- лить растворители из клеевой пленки. Так как большинство клеевых композиций – это растворы смол в растворителях или смесях, то не полное удаление растворителей приводит к резкому снижению проч- ности соединения в результате пористость и появления усадочных напряжений после отвердевания клеевого шва. Это важно для кон- струкций с малой поверхностью испарения летучих веществ. На рис. 4.2 показана характерная конструкция гибридной ИС с ма- лой поверхностью испарения летучих веществ (приклейка подложки к основанию корпуса и навесных элементов к подложке). Так как кле- евая пленка является конструктивным элементом изделия, то наличие растворителя исключается примением материалов, не содержащих растворителей и обладающих высокой нагревостойкостью. Толщина клеевого слоя в полупроводниковой технологии ограничивается, по- скольку с увеличением толщины клеевого шва его прочность падает. Рис. 4.1. Дозатор клея: 1 – игла; 2 – клей; 3 – воронка 83 Рис. 4.2. Крепление подложки и навесных элементов ГИС с помощью клеевых соединений: 1 – вывод; 2 – основание корпуса; 3 – клеевой слой; 4 – подложка; 5 – навесные компоненты Основные клеи и клеевые композиции, применяемые для монта- жа кристаллов и подложек, приведены в табл. 4.1. Таблица 4.1 Клеи и клеевые композиции, применяемые для монтажа кристаллов и подложек Марка клея Состав клея Режим сушки Примечание Темпера- тура, ºС Время, ч МК-400 Смола Т-Ш-100 Смола Л-20, продукт АГМ-3 18–23 80–100 48 2–3 Сохраняет прочность при 270 ºС в течение 40–60 мин ВК-4, ВК-8 Раствор фенольно-кремний- органической композиции в органическом растворителе с минеральным наполнителем 200 5 Сохраняет прочность при 320 ºС в течение 40–60 мин ВК-32-200 Полиэфирная смола, лак ФЛ-5111 60 80 1,0 1,5 Сохраняет прочность при 300 ºС в течение 40–60 мин 84 Многие из ранее использованных клеев недостаточно теплостой- ки, содержат в своей основе летучие токсические растворители, ко- торые обуславливают нестабильную во времени консистенцию клея, что усложняет их использование. В настоящее время созданы электро- и теплопроводящие клеевые материалы, свободные от этих недо- статков; они представляют собой вязкие, подвижные пасты и отли- чаются от клеев-контактолов отсутствием растворителей. Вместо растворителей в их состав входят активные разбавители и пласти- фикаторы, которые позволяют регулировать вязкость и обеспечи- вать ее высокую стабильность в течение всего срока хранения. К вы- сокотеплостойким электропроводящим однокомпонентным относят- ся клеи ЭВТ, диапазон рабочих температур которых от 60 до 200 ºС. Полученные клеевые соединения отличаются высокой электропро- водностью (ρ = 5·10–4 Омсм), хорошей адгезией к элементам кон- струкции приборов, стойкостью к воздействию влаги. Оптические клеи, используемые в оптоэлектронных приборах, как светопроводящие должны иметь возможно высокий коэффици- ент преломления, близкий к коэффициенту преломления полупро- водниковых материалов, и высокий коэффициент светопропускания (более 90 %). Наиболее широко применяются оптические клеи ОП-72Ф, ОП-429, ОП-430, ОП-3М. Их коэффициенты преломления (1,4–1,6) отличаются от коэффициента преломления Si (3,6) и GaAs (3,4). Поэтому достаточно большое количество света отражается на оптических границах клея и полупроводниковых материалов. В настоящее время существуют высокопроизводительные уста- новки (ОЗПВ-1500, ОЗПВ-2500, ЭМ-4015, ЭМ-4055, ЭМ-4085), на которых с помощью клея осуществляют монтаж кристаллов в корпу- сах полупроводниковых приборов и ИМС. Автоматизированная уста- новка ОЗПВ-2500 работает в автоматическом режиме при выборке кристаллов из кассет и в полуавтоматическом – при выборке кри- сталлов с эластичного носителя. Выгрузка кристаллов из кассет и загрузка в кассеты осуществляется автоматически. Установка при- соединения кристаллов (на клей и эвтектику) ЭМ-4015 предназначе- на для посадки кристаллов БИС в керамические корпуса и на отрезки лент; ее производительность – 1800 кристаллов в час, размеры кри- сталлов от 0,4 × 0,4 до 10 × 10 мм. В установке ЭМ-4085 поиск годных кристаллов на пластине и их присоединение проводятся автомати- чески. Оптико-телевизионная система распознает годные кристаллы 85 по отсутствию маркировочных меток, трещин и сколов. Установка ЭМ-4055 предназначена для посадки кристаллов запоминающих уст- ройств с помощью клея в окна платы. Цикл присоединения состоит из следующих операций: нанесение клея методом штемпелевания; захват кристалла из кассеты; ориентация платы относительно кри- сталла; посадка кристалла. Создание пленки необходимой толщины в месте забора клея инструментом производится дозатором. 4.3. Монтаж кристаллов пайкой стеклом В настоящее время в промышленность внедряется монтаж полу- проводниковых кристаллов пайкой стеклом, к которой предъявляют- ся следующие требования: температура пайки не должна быть высо- кой; коэффициент термического расширения стекла должен быть со- гласован с КТР исходного полупроводникового материала; стекло не должно содержать в своем составе компонентов, вредно влияющих на электрические параметры активных областей. Пайка стеклом ис- пользуется пока ограничено в связи с тем, что стекло – изолятор и поэтому оно не может применяться, когда требуется электрический контакт между подложкой и стороной кристалла; оно недостаточно хорошо проводит теплоту, что не позволяет использовать его при необходимости отвода большого количества тепла; температура, не- обходимая для выполнения соединения стеклом (500 С), выше, чем в других методах. При такой температуре у ряда приборов могут ухуд- шаться электрические параметры. Пайка стеклом рекомендуется для присоединения кристаллов небольшого размера к керамическим под- ложкам. Перед посадкой кристалла керамическую подложку покры- вают слоем легкоплавкого стекла. Стекло выполняет роль связующе- го материала между кристаллом и керамической подложкой. При нагреве подложки стеклянное покрытие плавится, и расплавленное стекло припаивает кристаллы к керамике. В зависимости от физико- химических свойств применяемого стекла рабочая температура пай- ки составляет 500–600 С. Монтаж кристаллов пайкой стеклом (рис. 4.3) применяют также при массовом производстве маломощных однокристальных полу- проводниковых приборов, в которых не требуется электрический контакт между нижней поверхностью кристалла и корпусом. Стек- ло в виде пасты наносят методом трафаретной печати или напыле- 86 нием на место монтажа в корпусе, размягчают, нагревая и уклады- вают кристалл, охлаждая затем корпус до комнатной температуры. Рис. 4.3. Корпус ИС, в котором монтаж кристалла, присоединение выводов и герметизация выполнены стеклом: 1 – крышка; 2 – стеклянный припой; 3 – рамка; 4 – вывод; 5 – основание; 6 – кристалл Корпус ИМС, в котором монтаж кристалла, присоединение вы- водов и герметизация выполнены стеклом, показан на рис. 4.3, а. При этом трафаретной печатью или напылением на контактные пло- щадки керамического корпуса 5 под выводы и кристалл, а также на крышку 1 наносят стеклянный припой 2, который оплавляют в печи, не допуская кристаллизации. Затем на нагретое (Т = 450 С) керами- ческое основание 5 монтируют кристалл 6 и присоединяют выводы 4, вдавливая их в размягченное стекло. После этого герметизируют корпус, соединяя крышку с основанием, сжимая их и прогревая при Т = 500 С в течение 5 мин. При повторном нагреве происходит крис- таллизация стеклянного припоя, что повышает прочность спая. В кор- пусе ИМС, как показано на рис. 4.3, б, стеклянный припой последова- тельно наносят трафаретной печатью на слои металлизации 7 для изо- ляции их друг от друга. Герметизируют также корпуса, соединяя стеклянным припоем 2 керамическое основание 5 корпуса с керамиче- ской крышкой 1. В корпусе ИМС, показанном на рис. 4.3, в, два слоя стеклянного припоя 2 служат для изоляции токоведущих дорожек. Корпуса герметизируют аналогично рис. 4.3, б. Основными видами дефектов при этом методе сборки является нарушение механической прочности соединения вследствие растрескивания стекла. Такое рас- трескивание происходит либо из-за неправильно выбранного режима процесса пайки, либо вследствие получения шва большой толщины. а б в 87 Толщина шва должна составлять 10–20 мкм. Для пайки могут исполь- зоваться как легкоплавкие, так и тугоплавкие стекла. 4.4. Монтаж кристаллов пайкой низкотемпературными припоями Присоединение кристаллов и подложек в корпус с помощью пайки низкотемпературными припоями широко используется в полупровод- никовом производстве. Оно является одним из основных способов со- единений, применяемых при монтаже бескорпусных транзисторов и ИМС в круглые плоские корпуса и на платы. Монтаж с помощью низкотемпературной пайки используется также при сборке кристаллов маломощных выпрямительных и импульсных диодов в металлостек- лянном корпусе с охватывающим спаем, мощных транзисторов, тирис- торов и диодов, монтаж активных компонентов гибридных микросхем, где необходим хороший отвод теплоты через поверхность, контакти- руемую с корпусом. Эффективность метода обусловлена следующими достоинствами: монтаж с помощью пайки низкотемпературными при- поями позволяет получить высокую прочность соединения и мини- мальное переходное электросопротивление за счет значительной пло- щади контакта навесной компонента (кристалла) с платой или держа- телем; хорошая ремонтопригодность – при монтаже гибридных ин- тегральных микросхем в большинстве случаев навесные компоненты, вышедшие из строя, легко удаляются и заменяются новыми. Недостат- ки монтажа пайкой: необходимость нагрева всего прибора до значи- тельной температуры (200–350 С) и вредное влияние флюса (остатки флюсов, которые не могут быть полностью удалены, попадают на по- лупроводниковые структуры и могут ухудшать их электрические па- раметры и стабильность), необходимость работы в среде водорода или дорогостоящего инертного газа, критичность режимов пайки, особен- но при монтаже кристаллов полупроводниковых приборов и микро- схем с наличием Au на соединяемых поверхностях. Данный метод эф- фективен для соединения припоем металлизированных поверхностей кристалла или подложки с металлическими деталями корпусов, ком- пенсаторами, держателями, ножками. Для получения высокого каче- ства паяного соединения при монтаже кристаллов необходимо соблю- дать следующие требования: применяемый способ пайки должен обес- печивать нагрев зоны пайки до температуры, несколько превышающей 88 температуру плавления припоя; на паяемых поверхностях кристаллов и деталей корпусов не должно быть загрязнений и слоев оксидов; для определенных паяемых покрытий должны быть выбраны соответ- ствующие припои, они должны обладать хорошей текучестью при температуре пайки и хорошо заполнять паяемый шов, т. е. обладать хорошей смачиваемостью. Для пайки кристаллов и навесных элементов на платы с пленочным монтажом применяют низкотемпературные припои с использованием малоактивных флюсов. Припои наносят на контактные площадки ме- тодом трафаретной печати или используют в виде таблеток (дисков). Когда возможно соединяемые детали корпусов или участки под- вергают предварительному облуживанию либо в расплаве припоя, либо нанесением припоя гальваническим методом. Участки полу- проводниковых кристаллов, подлежащие пайке, для улучшения сма- чиваемости покрывают металлизированным слоем, представляю- щим тонкие пленки никеля, хрома и серебра, хрома и никеля. Схема пайкой через прокладку низкотемпературного припоя при- ведена на рис. 4.4. Активация соединяемых поверхностей кристалла и держателя осуществляется действием флюсов, при бесфлюсовой пайке – средой водорода, формир-газа или специальными компо- нентами припоя. Рис. 4.4. Посадка кристалла на корпус посредством пайки низкотемпературными припоями: 1 – кристалл; 2 – легкоплавкое покрытие на кристалле; 3 – припой; 4 – основание корпуса из Cu Пайка в конвейерных водородных печах (рис. 4.5) наиболее ши- роко применяется для присоединения кристаллов к корпусам, дер- жателям низкотемпературными припоями и обеспечивает высокое 89 качество паяных соединений. Она проводится при нагреве в печи собранных в кассеты деталей с заранее вложенным припоем. Через печь с определенной скоростью проходит непрерывно движущаяся лента, которая перемещает кассеты, установленные с одного конца трубы. Они проходят зоны нагрева, выдержки и охлаждения. Ско- рость движения ленты регулируется в соответствии с технологиче- скими режимами. При проведении процесса важно соблюдать ре- жимы: скорость нагрева и температуру, время выдержки, скорость охлаждения, расход газа, состав газовой среды. Для предохранения паяемых деталей корпусов и припоя от окисления в процессе нагре- ва рабочее пространство печи заполняют сухим и чистым инертным газом, который выбирают в зависимости от паяемых деталей корпу- сов и припоя; обычно это водород или смесь водорода с азотом. Рис. 4.5. Схема конвейерной печи: 1 – корпус; 2 – нагреватель; 3 – рабочий канал; 4 – кассета с изделиями; 5 – транспортерная лента Важным в процессе является правильная конструкция кассеты, которая должна обеспечивать в процессе пайки взаимное располо- жение деталей с необходимой точностью и определенное давление для контакта паяемых поверхностей. Масса кассет должна быть ми- нимальной, чтобы не увеличивать время разогрева и охлаждения; кассеты не должны деформироваться при нагреве и охлаждении; материал кассет не должен припаиваться к деталям, выделять вред- ных газов и взаимодействовать с защитной атмосферой печи. Обыч- но для изготовления кассет применяют нержавеющую сталь. На рис. 4.6 показана конструкция кассеты для напайки кристалла выпрямительного диода на держатель с позолоченным вольфрамовым компенсатором. При монтаже гибридных микросхем припойные шай- бы и кристаллы укладывают на плату с помощью специальных трафа- 90 ретов. Качество собранной арматуры определяется качеством паяных швов. Один из наиболее распространенных методов контроля – визу- альный осмотр. Основным критерием оценки качества пайки кристал- лов низкотемпературными припоями является состояние поверхност- ного припоя и форма образованного паяного соединения. Паяные со- единения считаются удовлетворительными, если припой имеет глад- кую блестящую поверхность, отсутствуют внешние признаки дефек- тов: пузыри, вздутия, раковины, выплески припоя и флюса за пределы контактной площадки, наплывы и перемычки припоя. Рис. 4.6. Кассета для пайки держателя с W-компенсаторами в кристалле: 1 – груз; 2 – корпус кассеты; 3 – золоченые W-компенсаторы; 4 – припой; 5 – кристалл В табл. 4.2 приведены основные виды дефектов швов и причины их возникновения. Таблица 4.2 Основные виды дефектов паяных швов и их причины при монтаже кристаллов Виды дефекта Причины дефекта Виды дефекта Причины дефекта 1 2 3 4 Наплыв припоя Избыток припоя, плохая смачива- емость, растека- емость Пористость и раковины Загрязнение при- поя, перегрев де- талей при пайке 91 Окончание табл. 4.2 1 2 3 4 Незаполнение шва Недостаток при- поя, недостаточ- ная выдержка в нагретом со- стоянии Трещины в шве Недостаточная выдержка при на- греве, недостаточ- ная температура нагрева, быстрое охлаждение Смещение крис- талла относитель- но посадочного места или кон- тактной площадки Неправильная сборка, изношен- ная оснастка кас- сеты, пробки 4.5. Монтаж кристаллов методом эвтектической пайки Основным способом крепления кристаллов полупроводниковых приборов и ИМС в корпус является соединение с помощью эвтекти- ческой пайки, подразделяющуюся на контактно-реактивную и эвтек- тическими сплавами. Контактно-реактивная – это пайка, при которой между соединяемыми металлами в результате контактного плавления образуется эвтектический сплав, заполняющий зазор и кристаллизу- ющийся с образованием паяного соединения. Соединение формиру- ется без применения флюсов, происходит в нейтральной атмосфере или на воздухе в результате разрушения и удаления оксидных пленок с поверхностей соединяемых деталей в процессе притирки одной из деталей к другой через прослойку жидкой фазы (эвтектики Au-Si или Au-Ge). На первом этапе пайки происходит взаимное растворение в тонком контактном слое соединяемых металлов в твердом состоя- нии. На втором этапе интенсифицируется диффузия, в результате чего атомы из расплава одного компонента переходят в твердую фазу дру- гого компонента, переводя в жидкое состояние все новые слои контак- тирующих металлов. Третий этап характеризуется охлаждением ме- таллов до температуры окружающей среды, при которой происходит их рекресталлизация. Для активации соединяемых поверхностей, за- ключающейся в разрушении оксидных пленок, контактно-реактив- ную пайку выполняют с вибрационным воздействием на кристалл, в результате чего кристаллы получают возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости и притираются к фланцу нож- 92 ки. Происходит контактное плавление, в частности Au и Si, жидкий сплав перемешивается и процесс соединения кристалла с фланцем ускоряется. Жидкая фаза способствует измельчению оксидных пле- нок и удалению их из зоны контакта. На рис. 4.7 представлена схема соединения полупроводникового кристалла с корпусом контактно-реактивной пайкой. При лицевом монтаже кристаллов небольших размеров (менее 3 × 3 мм) используют как УЗ, так и низкочастотные колебания, а для кристаллов больших размеров – в основном низкочастотные с большой амплитудой (до 0,5– 0,8 мм). Скорость контактного плавления полупроводника и металла зависит от температуры и усилия, прилагаемого к спаиваемому кри- сталлу и ножке. Контактным плавлением можно управлять, изменяя температуру: при ее уменьшении останавливать процесс пайки в нуж- ный момент, а при увеличении возобновлять его. Соединение получа- ется в результате контактного плавления поверхности, например крем- ния и золота, и образования на границе раздела слоя эвтектики, кото- рая имеет высокую активность, хорошо смачивает твердые поверх- ности и при кристаллизации дает прочные и сплошные соединения. Рис. 4.7. Схема контактно-реактивной пайки с вибрацией кристалла относительно основания корпуса: 1 – вибрирующий инструмент; 2 – кристалл; 3 – эвтектический сплав; 4 – основание корпуса; 5 – столик нагревателя Малое содержание кремния (до 6 %) в эвтектике Au-Si исключает опасность проплавления кристалла, так как плавится в основном зо- лото. Из диаграммы состояния системы Au и Si, представленной на рис. 4.8, следует, что эвтектическая температура достаточно высокая (370 ºС), чтобы соединение не разрушилось при небольших нагревах, связанных с монтажом других компонентов, разводкой выводов и герметизации прибора, но и не настолько высокая, чтобы вызвать ухудшение электрических параметров от воздействия теплоты. 93 Рис. 4.8. Диаграмма состояния системы Au-Si Существенное влияние на характеристики соединения оказывают состояния поверхности и толщина золотого покрытия корпуса. Экс- периментально установлено, что для образования качественного со- единения толщина золотого покрытия должна быть не менее 3 мкм. При малых размерах кристалла (менее 0,7 × 0,7 мм) толщину золото- го покрытия можно уменьшить. При пайке эвтектическими сплавами в отличие от контактно-реактивной эвтектический сплав (обычно в виде таблетки) вводится в качестве припоя между кристаллом и монтажной площадкой корпуса (рис. 4.9). При использовании этого способа следует учитывать возможность образования пор в плоско- сти раздела между кристаллом и монтажной площадкой, которые могут снизить надежность приборов при их длительной эксплуата- ции. Припойный сплав должен иметь высокую прочность, тепло- и электропроводность, а также обладать стабильными химическими и физическими свойствами во времени и при различных температурах. Рис. 4.9. Структурная схема присоединения кристалла эвтектическим сплавом 94 Пайка эвтектическими сплавами применяется для присоедине- ния больших полупроводниковых кристаллов к ножкам (корпусам). В отличие от контактно-реактивной эвтектический сплав образуется не в результате контактного плавления соединяемых материалов, а вводится в качестве припоя между соединяемыми поверхностями кристалла и ножки. В качестве эвтектических сплавов используют Au-Si или Au-Ge. Пайка кристалла должна обеспечить высокую воспроизводимость процесса, устранение общего, локального перегрева кристалла и тем- пературных напряжений на его поверхности. При хорошей воспро- изводимости процесса возможно получение высокого выхода год- ных изделий и гарантированного качества. Для этого эвтектический сплав или припой должен химически реагировать и хорошо смачи- вать поверхность как кристалла, так и материала монтажной пло- щадки. Эвтектическая структура устанавливает связь между поверх- ностями и придает соединению необходимые свойства. Присоеди- нение кремниевого кристалла к корпусу зависит от создания коге- рентной структуры в зоне раздела кристалл–корпус. Если реакция не проходит, структура не образуется и появляются раковины. Для уяснения процесса отказа в образовании структуры важно рассмот- реть взаимодействия Si и Au при определенных условиях нагрева или охлаждения в фазовой диаграмме (рис. 4.8). При температуре 370 С в расплавленном состоянии происходит смачивание поверх- ностей кремниевого кристалла, позолоченной монтажной площадки и образование жидкости, находящейся в равновесии с обеими по- верхностями. Жидкость регулируют с кристаллами и площадкой и создают при охлаждении между ними эвтектическую структуру, устанавливающую связь между соприкасающимися поверхностями. На диаграмме видно, что эвтектический сплав превращается в жид- кость при температуре Т0. Согласно требованиям равновесия, опре- деляемым фазовой диаграммой, эвтектическая структура в жидкост- ном состоянии не будет вступать в реакцию с Au или Si при этой температуре. Жидкость может смачивать поверхность Au и Si, но она не будет в равновесии, ни с одной из них и не происходит ника- кой реакции и необходимого соединения. Для того чтобы эвтекти- ческая жидкость, золото и кремний находились в равновесии, тре- буется выдержка во времени и невысокая температура. Для получе- 95 ния химической реакции и создания соединения структура припой- ного сплава должна уравновешиваться кремнием и золотом. Наиболее распространенный метод монтажа кристаллов с помо- щью эвтектической пайки заключается в нагреве системы «кремни- евый кристалл–припойная таблетка–золотая монтажная площадка корпуса» до температуры, превышающей эвтектическую темпера- туру всей системы. Золотое покрытие на монтажной площадке раз- бавляет припой, обогащая его золотом, и вызывает сдвиг влево точ- ки плавления всей эвтектической структуры припойного сплава (рис. 4.8, сплав А). Свойства нового припойного сплава оказывают отрицательное воздействие на операцию присоединения. Приемле- мые варианты – при использовании сплавов, содержащих в общей структуре больше кремния (рис. 4.8, сплав С). При охлаждении спла- ва осаждаются кристаллы кремния. Они являются единственными твердыми материалами, поддерживающими равновесие с жидкой фазой сплава С. Кристаллы растут до момента достижения темпера- туры, при которой оставшаяся жидкость образует эвтектическую структуру. Сплавы, находящиеся справа от эвтектической точки оста- ются в равновесии с кремнием во время охлаждения. Следовательно, сплавы с большим содержанием кремния более предпочтительны при использовании в качестве припоя. На практике присоединение кри- сталла припоем к керамическому (металлическому) основанию кор- пуса (подложки или металлической выводной рамке производят таб- леткой припоя из состава Au или Au – 8 % Si). При этом и других составах (табл. 4.3) разница значений коэффициентов расширения между кремнием и подложкой относительно невелика. При механи- ческой отмывке соединяемых поверхностей и температуре соедине- ния выше 370 С (температура плавления эвтектики) материал таб- летки реагирует с кремнием, и образуется структура эвтектического сплава Au + 3,6 % Si, которая затем обогащается Si. Происходит контактное плавление с взаимодействием сплава припоя (Au – 2 % Si) с кремнием, при этом образуется тонкая пленка жидкой фазы эвтек- тического состава Au + 31 % Si или Au + 6 % Si, которая при обо- гащении кремнием переходит в твердожидкое состояние, закрепля- ющее кристалл в корпусе. Пайка эвтектическими сплавами по срав- нению с контактно-реактивной имеет ряд достоинств: эвтектические сплавы имеют невысокую температуру плавления, хорошую жид- 96 котекучесть и способность смачивания, а также незначительное вре- мя нагрева до температуры пайки, в паяном соединении не создает- ся больших остаточных напряжений, образующихся вследствие раз- ницы КТР соединяемых материалов. Введение эвтектического сплава между соединяемыми поверхностями способствует сглаживанию на них шероховатости и неровности. Таблица 4.3 Состав и точка плавления материалов припоя, используемого для соединения кристалла и подложки Состав Температура, С ликвидуса солидуса 80 % Au, 20 % Sn 92,5 % Pb, 5 % Ag, 5 % In 97,5 % Pb, 1,5 % Ag, 1 % Sn 95 % Pb, 5 % Sn 98 % Au, 2 % Si 100 % Au 280 300 309 314 800 1063 280 – 309 310 370 1063 Нерастекающийся припой свидетельствует о плохой смачивае- мости его поверхности ножки и кристалла при недостаточно высо- кой температуре пайки, что является одной из причин низкой проч- ности паяного соединения. Появление трещин и сколов на кристал- лах связано с большим усилием, прикладываемым к рабочему инструменту, или слишком резким подъемом температуры пайки по сравнению с оптимальной. Пайка кристалла к ножке эвтектическим сплавом представлена на рис. 4.10 и состоит из нескольких операций: захвата прокладки 1 из эвтектического сплава, ее переноса и укладки на место пайки (рис. 4.10, а), захвата кристалла 6, переноса и присоединение его к ножке (корпусу) 3 (рис. 4.10, б). Захват, перенос и удерживание прокладки и кристалла выполняют специальным инструментом 2. При этом усилие захвата и удержание прокладки или кристалла со- здается вследствие перепада давления (атмосферного и разрежения). Инструмент представляет собой вакуумное захватывающее приспо- собление для переноса и прижима кристалла. 97 Рис. 4.10. Пайка кристалла к ножке эвтектическим сплавом: а – захват прокладки и укладка ее на ножку; б – захват и укладка кристалла на прокладку; 1 – прокладка; 2 – инструмент (вак. пинцет); 3 – ножка; 4 – устройство прижима ножки к нагревателю; 5 – нагреватель; 6 – кристалл Наибольшее распространение получил инструмент с прямым хво- стовиком, имеющий наконечник с центральным отверстием для креп- ления кристалла (рис. 4.11, а), так как при плоском торцевом инстру- менте (рис. 4.11, б) возможно смещение кристалла в процессе соеди- нения. Кристалл захватывается инструментом и центрируется на- клонными рабочими площадками, расположенными под углом 90. Рис. 4.11. Конфигурация наконечников инструмента для присоединения эвтектической пайкой: а – с углублением в виде канавки; б – с плоским торцом Углубление в наконечнике служит для предотвращения относи- тельного сдвига кристалла и инструмента при подаче на последний УЗ и механических колебаний. Высота усеченной пирамиды рас- считывается, чтобы половина толщины кристалла выступила из-под торца инструмента. а б а б 98 Инструмент для монтажа должен обеспечивать точный захват кристаллов и точное присоединение и иметь высокую стойкость к износу. Для повышения качества крепления кристаллов методом эвтектической пайки используют трехкомпонентные системы, когда добавление третьего компонента к системе Au-Si вызывает пониже- ние точки плавления. Трехкомпонентная система должна быть эв- тектической. Для того чтобы Тэвтектики трехкомпонентной системы была ниже 370 С, один из компонентов двухкомпонентной систе- мы должен иметь Тэвтектики ниже 370 С. Наиболее полно отвечает этим требованиям олово. 4.6. Контроль качества монтажа кристаллов Контроль качества выполнения операций монтажа кристаллов является неотъемлемой частью технологического процесса сборки. Его роль не менее значительна и на стадиях создания новых типов микросхем и выборе оптимального техпроцесса их производства. Наиболее известным является метод оценки качества приложением сдвигающей нагрузки вдоль плоскости раздела кристалл–подложка (рис. 4.12). Этот метод оценки прочности присоединения может вы- полняться как разрушающий, когда нагружение увеличивается до полного разрушения соединения (или кристалла), или как контроль на заданную прочность, когда разрушаются потенциально негодные соединения. Однако в обоих случаях процесс занимает много вре- мени и не дает полной оценки качества соединения. Рис. 4.12. Схема контроля прочности соединения кристалла: 1 – кристалл; 2 – корпус прибора; 3 – подвижная каретка; 4 – зацеп; 5 – динамометр 99 Для первичной оценки качества присоединения пользуются ви- зуальной оценкой: при наличии 0,5 периметра кристалла эвтектики присоединение считается качественным (в ответственных случаях принимают 3/4 периметра). Объективную оценку при неразрушаю- щем контроле дают следующие методы: метод оценки напряжен- ного состояния кристалла; метод теплового сопротивления; метод рентгеноскопии и рентгенотелевизионной микроскопии. Причина- ми отказов могут служить остаточные внутренние напряжения в по- лупроводниковых кристаллах, появляющиеся в результате механи- ческих и тепловых воздействий в процессе сборки микросхем. По- этому и оценка напряженного состояния системы кристалл–под- ложка для определения остаточных внутренних напряжений имеет важные значения. В практике находят применение рентгенографи- ческий и интерферометрический методы оценки напряжений. Рент- генографический метод оценки напряжений основан на измерении межатомных расстояний, изменяющихся под воздействием напря- жений. Достоинством этого метода является возможность измере- ния не только напряжений в тонком и поверхностном слое в кри- сталлах, но и радиусов их изгиба. Однако рентгенографический ме- тод является очень трудоемким при измерении и сложным в рас- шифровке результатов. Метод интерферометрии позволяет оцени- вать напряженно-деформированное состояние системы кристалл– подложка. Расчет напряжений производится по расшифровке ин- терферограммы, в которой одной интерференционной полосе соот- ветствует изменение деформации поверхности, равное половине длины волны λ излучения лазера (рис. 4.13). Рис. 4.13. Интерферограммы: а – в виде круговых колец; б – овалообразных колец; в – седлообразных дуг а б в 100 4.7. Прогрессивные направления в производстве полупроводниковых приборов и ИС Сборка на ленте-носителе. Прогрессивным направлением в про- изводстве полупроводниковых приборов и ИМС является их сборка на гибкой ленте-носителе. Широкое освоение такой технологии сбор- ки способствует значительному снижению стоимости приборов и ИМС, так как резко повышается уровень механизации, автомати- зации и уменьшаются затраты на материал. Лентой-носителем слу- жит тонкая (толщиной 0,05–0,15 мм) полиамидная или полиэфирная пленка одно-, двух-, трехслойная пленка шириной от 8 до 70 мм. Полиамидные и полиэфирные пленки. Полиамидные пленки обла- дают высокой термостойкостью (возможен их кратковременный на- грев до 400 ºС), стабильными физико-химическими свойствами при воздействии кислот. Их можно подвергать селективной химической обработке и использовать в качестве подложек для вакуумного напы- ления металлических пленок. Основные свойства полиамидных пленок: предел прочности при растяжении и температуре 25 С – 1,8·109 Па; максимальное относительное удлинение при этой температуре – 70 %; температурный коэффициент линейного расширения в интервале от –14 до +38 С – 2·10–5 1/ºС; коэффициент теплопроводности при 25 С – 1,6·103 В/(м·К), при 300 С – 2·103 В/(м·К); срок службы при нормальных атмосферных условиях и Т = 250 С – 8 лет, при Т = 300 С – 3 года, Т = 400 С – 1,2 года; гигроскопичность при отно- сительной влажности 50 % и Т = 25 С – 1,3 %; электрическая проч- ность при Т = 25 С – 3·106 В/м; диэлектрическая проницаемость при Т = 25 С и частоте 1 кГц – 3,5; tgδ при Т = 25 С и частоте 1 кГц – 2,5·10–3; объемное электрическое сопротивление при Т = 25 С и U = 125 В – 1015 Омсм; поверхностное электрическое сопротив- ление при относительной влажности 50 % и Т = 25 С – 1016 Ом/. Полиэфирные пленки на основе полиэтиленрефталата являются перспективным материалом, так как в 10 раз дешевле полиамидных и более устойчивы к воздействию влаги и высокой температуре. Наибольшее распространение получили двух- и трехслойная лента- носитель, технологический процесс изготовления которых состоит из нанесения на поверхность пленки адгезионного слоя (фенола, эпок- сида, полиамида) толщиной 10–250 мкм и его сушки. После резки 101 пленки на заготовки требуемой ширины, пробивки краевой перфора- ции и отверстий под кристаллы на нее наклеивают медную фольгу толщиной 35 мкм. В медной фольге фотолитографией получают па- учковые выводы (шириной 60–100 мкм) и последовательно осаждают на них слои Au и Sn. В результате получают ленту-носитель с боль- шим количеством паучковых выводов, к внутренним концам которых присоединяют кристаллы (платы), а наружные, отрезаемые от ленты- носителя, монтируют на выводные рамки, печатные платы или в мно- говыводные корпуса. Для присоединения термокомпрессией, пайкой или УЗ-сваркой к паучковым выводам ленты-носителя кристаллов на них создают металлические выступы (столбики) высотой около 125 мкм, что предохраняет контактные площадки кристаллов от раз- рушения. Выступы должны выполняться из металлов, не диффунди- рующих в полупроводниковый кристалл (хрома, меди, титана, воль- фрама, никеля и золота). При изготовлении выступов на алюминие- вую пленку контактных площадок кристаллов последовательно напылением наносят слои хрома, меди, золота, а затем гальванически осаждают еще один слои золота толщиной 12–25 мкм. Производительность автоматической сборки полупроводниковых приборов и ИМС на ленте-носителе составляет 1000–2500 шт./ч. Лента-носитель с собранными приборами может быть свернута в ру- лон или нарезана в виде отрезков заданной длины. Герметизируют такие приборы обычно заливкой пластмассой. Последовательность сборки полупроводниковых приборов и ИМС на гибкой полиимид- ной ленте-носителе показана на рис. 4.14. Вначале на автоматической установке (рис. 4.14, а) присоединяют выступы 5 кристаллов 6 к внут- ренним (электродным) паучковым выводам 2 гибкого носителя 4. Предварительно кристаллы, размещенные на определенном расстоя- нии друг от друга, приклеивают воском 7 к подложке 9, которую за- крепляют на ленте-носителе 8. Каждый кристалл поочередно авто- матически устанавливается под термод (головку для пайки или свар- ки) 1, который опускается до соприкосновения с паучковыми выво- дами. При прохождении импульса тока происходит нагрев и пайка одновременно всех выводов с выступами 5 кристалла. При пайке та- ких металлов, как золото и олово, температура области контакта до- стигает 280 С, воск под кристаллом расплавляется и лента-носитель вместе с присоединенным к ней кристаллом приподнимается, затем носитель 4 и ленточный носитель 8 кристаллов передвигается на 102 очередную позицию и цикл повторяется. Пайка выводов, например Au-Au, происходит при 550 С за 0,25 с; прикладываемое усилие со- ставляет 0,13 Н. Собранные полупроводниковые приборы и ИМС можно непосредственно монтировать в аппаратуру, вырубая их из носителя 4 и приваривая внешние выводы к печатным платам. При непосредственном монтаже в аппаратуру лента 10 с выводными рам- ками (рис. 4.14, б) и носитель 4 с припаянными приборами синхрон- но подаются с определенным шагом на рабочую позицию установки. Рис. 4.14. Последовательность сборки полупроводниковых приборов на гибкой ленте-носителе: а – присоединение кристалла к паучковым выводам; б – вырубка паучковых выводов и приварка их к выводам рамки; 1 – термод; 2 – паучковые выводы; 3 – Сu-фольга; 4 – носитель; 5 – выступы на кристалле; 6 – кристалл; 7 – воск; 8 – лента-носитель; 9 – подложка; 10 – лента с выводнымирамками; 11 – матрица; 12 – пуансон При совмещении прибора и выводной рамки включается меха- низм, который матрицей 11 и пуансоном 12 при его движении вверх вырубает паучковые выводы вместе с прибором из носителя 4. За- тем вырубленный прибор прижимается к выводной рамке и опуска- ется термод 1, сваривающий их выводы. После этого пуансон опус- кается, термод поднимается и цикл повторяется. 4.8. Оборудование для монтажа кристаллов Присоединение кристаллов к корпусу прибора выполняется на специальных установках монтажа методом эвтектической пайки, пайки стеклом либо с помощью клея. В современном оборудовании а б 103 для монтажа кристаллов в корпуса (или на платы) захват кристал- лов выполняется вакуумным инструментом (присоской), который поочередно берет их с липкой ленты-носителя после разделения полупроводниковой подложки. В момент захвата вакуумным ин- струментом кристалл отделяется от липкой ленты толкателем-под- колом с обратной стороны. Инструмент, используемый для захвата кристаллов, представляет капилляр с расширенным книзу отверсти- ем. Узкой верхней частью отверстия инструмент соединяется с ва- куумной системой, а широкая нижняя служит для захвата и удер- жания кристаллов. Широкая часть отверстия может быть выполнена либо в виде конуса (рис. 4.15, а) для неориентированного монтажа кристаллов, либо в виде четырехгранной пирамиды (рис. 4.15, б) или квадрата (рис. 4.15, в) для ориентированного монтажа. Рис. 4.15. Виды широкой части отверстий капилляра: а – в виде конуса для неориентированного монтажа кристаллов; б – в виде 4-гранной пирамиды для ориентированного монтажа; в – в виде квадрата для ориентированного монтажа Соотношения глубины этого отверстия и толщины кристаллов должны быть такими, чтобы при захвате и переносе на очередную позицию кристалл не менее чем на половину толщины находился вне инструмента. Изготовляют инструмент для монтажа кристаллов из быстрорежущей или нержавеющей стали, керамики, титана или другого материала, обладающего высокой нагревостойкостью и не смачивающегося припоем (клеем). Современные установки для мон- а б в 104 тажа кристаллов имеют единую функциональную схему и состоят из координатного стола, предметного столика, монтажной головки с инструментом, устройства загрузки-разгрузки, микроскопа, опти- ческого указателя (световой указки), устройства питания и про- граммного управления. Характеристики установок монтажа кристаллов. Установки монтажа кристаллов конструируются по двум принципиальным ки- нематическим схемам. По первой схеме на двух параллельных по- зициях производятся подготовительные операции над объектами сборки: на первой позиции один корпус прибора или отрезок вы- водной рамки подается на монтажный столик и нагревается до за- данной температуры; на второй позиции с пластины снимается кри- сталл, годный по внешним признакам. Затем механическое устрой- ство с помощью инструмента производит съем кристалла, перено- сит его в корпус прибора на монтажном столике и присоединяет. При конструировании по второй схеме предполагается, что кри- сталл на позиции съема может иметь достаточно свободную ориен- тацию. Поэтому в данной схеме съем кристалла осуществляется присоской, и он помещается на промежуточную позицию, где ори- ентируется специальным механическим устройством, после чего про- изводится съем его инструментом и присоединение к корпусу. От- личительные особенности моделей установок монтажа кристаллов обусловлены различием технических решений устройств, методами присоединения кристалла, типом корпуса прибора, размерами кри- сталлов и т. д. В упрощенном варианте оператор с помощью микро- скопа совмещает инструмент 1 (рис. 4.16) с кристаллом, располо- женным на предметном столике 3. Рис. 4.16. Схема монтажа кристаллов: 1 – инструмент; 2 – кристалл; 3 – предметный столик; 4 – корпус прибора 105 Затем осуществляется захват кристалла с помощью вакуума, пе- ремещение и присоединение его к корпусу прибора 4. При необхо- димости вокруг монтажной площадки корпуса создается защитная газовая среда, а охлаждение осуществляется обдувом через инстру- мент. Основные технические характеристики установок монтажа кристаллов приведены в табл. 4.4. Таблица 4.4 Технические характеристики установок монтажа кристаллов Характеристика Семейство полуавтоматов Семейство автоматов ЭМ-4025 ЭМ-4015 ЭМ-4085 ЭМ-4105 1 2 3 4 5 Обрабатываемые изделия Размеры присо- единяемых крис- таллов, мм От 0,4 × 0,4 до 6 × 6 От 0,4 × 0,4 до 4 × 4 От 1 × 1 до 4 × 4 От 0,35 × 0,35 до 2 × 2 Кристаллы поступают в виде полупроводниковых плас- тин на адгезионном носителе. Допускаются многорядные кассеты с предварительной укладкой годных кристаллов Требования к кристаллам на адгезионном носителе – Зазор между кристаллами не более 50 мкм. Маркиро- вочный знак не должен за- трагивать край кристалла Установки Метод присоеди- нения кристаллов Эвтектическая пайка с наложением колебаний; посадка на клей; эвтектическая пайка с таблеткой припоя и нало- жением колебаний Температура на- грева рабочей зоны, С Регулируется в пределах от 150 до 650 Регулируется в пределах от 250 до 500 Допускаемое от- клонение уста- новленного зна- чения температу- ры нагрева рабо- чей зоны, C Не более 5 C Температура на- грева инструмен- та, C Регулируется в пределах от 120 до 300 106 Продолжение табл. 4.4. 1 2 3 4 5 Допускаемое от- клонение уста- новленного зна- чения температу- ры нагрева инст- румента, C Не более 30C Погрешность присоединения кристаллов: по координа- там x, мм 0,5 0,6 0,125 0,150 по координа- там y, мм 0,5 0,6 0,125 0,150 Усилие сжатия соединяемых элементов, Н От 0,8 до 5 От 0,25 до 6,0 От 0,4 до 3,0 От 0,2 до 1,5 Допустимое от- клонение усилия сжатия, % Не более 5% Предел регули- рования длитель- ности присоеди- нения: при работе без колебаний, c От 0,1 до 9,9 при работе с ко- лебаниями, пери- од, с От 1 до 200 Время автомати- ческого опреде- ления положения кристалла, c — — Не более 0,4 Погрешность по- зиционирования координатного стола, мкм Не более 10 Не более 20 Рабочий ход ко- ординатного сто- ла по координа- там x, y, мм 120 × 160 180 × 180 107 Окончание табл. 4.4 1 2 3 4 5 Система управ- ления Микропро- цессорное управление Комбиниро- ванные схе- мы Микропроцессорное управ- ление с развитой диагнос- тикой электронных узлов Среднее время наладки монтаж- ного прибора, ч 0,1 1,0 2,0 1,0 Связь с верхним уровнем управ- ления – – 0,2 Современное оборудование монтажа кристаллов оснащено быст- родействующими механизмами, большим числом перепрограммируе- мых технологических параметров, развитым интеллектом, системой технологического зрения и т. д. Режимы работы установок монтажа кристаллов. Установки монтажа кристаллов могут иметь два основных режима работы (авто- матический и полуавтоматический) и ряд вспомогательных, позволяю- щих производить наладку и перепрограммирование установок для различных приборов. В автоматическом режиме работы загрузочно-разгрузочное устрой- ство подает корпус прибора либо отрезок выводной рамки на мон- тажный столик, где осуществляется его подогрев до заданной тем- пературы. Одновременно осуществляется поиск годного кристалла на пластине системой технического зрения с помощью координат- ного привода. Годный кристалл, поданный на позицию подкола, сни- мается с липкого носителя и помещается в корпус прибора, где он и присоединяется. Установки ЭМ-4085 имеют конвейерную схему, реализуемую с помощью мальтийского креста, что позволяет произ- водить несколько операций одновременно. Автоматический режим установки: в результате вращения распредвала инструмент снимает кристаллы с крестовины, затем координатный стол перемещает ин- струмент с кристаллом на позицию монтажа. После установки кри- сталла в корпус прибора распредвал останавливается, и с помощью координатного стола, после интервала заданной длительности, осу- ществляется вибрация инструмента. По окончании монтажа кристал- ла запускается распредвал, в результате чего инструмент поднима- 108 ется, а поданный на параллельную позицию подкола годный кри- сталл снимается присоской с липкого носителя и укладывается на крест. После подъема инструмента осуществляется запуск механиз- ма подачи, на позицию монтажа подается очередной прибор и цикл повторяется. Во время работы автомата оператор производит смену магазинов подачи, а после остановки автомата по концу обхода плас- тины с кристаллами – смену пялец. В процессе работы автомата осу- ществляется автоматический контроль следующих условий устой- чивой работы: отсутствие засорения отверстия креста, достаточного давления сжатого воздуха, минимального давления вакуума, задан- ной температуры нагрева, а также производится диагностика рабо- ты основных узлов установки. Полуавтоматический режим работы отличается от автоматическо- го тем, что поиск годного кристалла и его ориентация на позиции подкола осуществляются оператором с помощью визиров на экране видеоконтрольного устройства либо оптического оператора. Опера- тор визуально оценивает годность кристалла, находит годный, и по его команде кристалл автоматически монтируется в корпус прибора. Количество и содержание вспомогательных режимов обусловлены особенностями конструкции отдельной установки, уровнем автома- тизации, сложностью переналадки и другими факторами. Вспомога- тельные режимы рассматриваем для установок семейства ЭМ-4085. Режим «Обучение» предназначен для задания значений перемен- ных величин на этапе наладки установки и настройки на новый тип прибора, в частности: данных о размерах кристаллов; масштабных коэффициентов механической и телевизионной систем координат; порога в зонах разбраковки кристалла по визуальный дефектам по- верхности; траекторий движения инструмента при вибрации; коли- чества шагов носителя на краю пластины перед перемещением на следующую строку положения кристаллов; параметров вибрации ин- струмента; количества присоединяемых кристаллов в одном корпу- се прибора; количества циклов работы установки до контрольной проверки исходного положения координатных столов; времени про- грева корпуса прибора; координат позиции выгрузки неориентиро- ванного кристалла, захвата кристалла, монтажа кристаллов. Режим «Наладка» предназначен для включения механизмов уста- новки в отдельных фазах ее работы, при этом предусматривается: задание быстрого и медленного вращения распредвала с индикаци- 109 ей выхода преобразователя углового перемещения; управление уст- ройством перемещения полупроводниковой пластины; включение вибрации инструмента; диагностирование запоминающих устройств системы управления. Режим «Поиск» предназначен для проверки работы и правильно- сти настройки системы поиска кристалла. При этом автоматически осуществляется подача кристалла в зону распознавания, совмеще- ние его с визиром на экране видеоконтрольного устройства и анализ годности кристалла. Если кристалл годен, на экране появляется рамка, если не годен – перекрестье, если кристаллов нет – метка, если смещение кристалла больше нормы, осуществляется гашение визира. Очередной кристалл подается на позицию спустя 0,6 с, что дает возможность оператору оценить погрешность совмещения кристалла и правильность его разбраковки. 110 5. ПРИСОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕКТРОДНЫХ ВЫВОДОВ 5.1. Общие сведения Создание надежного электрического контакта между контактны- ми площадками полупроводниковых кристаллов (подложек) и кор- пусов, способного безотказно работать в различных условиях экс- плуатации, является важным технологическим процессом производ- ства полупроводниковых приборов и ИМС. Присоединение тонких алюминиевых или золотых проволочек – электродных выводов – остается малопроизводительной, трудоемкой, с низкой надежностью операцией, которую выполняют на специальных установках с визу- альным наблюдением и ручным ориентированием инструмента и про- волоки с местом присоединения. В отдельных случаях стоимость присоединения электродных выводов составляет 50 % стоимости микросхемы; половина всех отказов микросхем также происходит из- за нарушения электрического контакта. Методы присоединения элек- тродных выводов можно разделить на проволочные и беспроволоч- ные. К проволочным (наиболее распространенным методам) относят- ся термоконтактная (термокомпрессия), УЗ-сварка, микроконтактная сварка, а также пайка. К беспроволочным методам (отсутствие про- волочных электродных выводов) относятся монтаж перевернутого кристалла (флип-чип) и кристалла с балочными выводами. Кристалл полупроводникового прибора или ИМС выполняет свои функции только после присоединения к его активным областям ме- таллических проводников-выводов, которые служат для подключе- ния к внешним электрическим цепям. В полупроводниковых прибо- рах и ИМС, когда величина контактных площадок составляет десят- ки или единицы микрометров, процесс присоединения выводов яв- ляется очень сложным. Наиболее универсален и широко используется в промышленности метод лицевого присоединения, где в качестве выводов применяются гибкие металлические проводники (рис. 5.1). Выполнение неразъемных соединений в полупроводниковом про- изводстве имеет ряд специфических особенностей: большая разница в толщине соединяемых элементов – металлические проводники тол- щиной или диаметром 10–200 мкм должны присоединяться к тон- ким (0,05–5,00 мкм) пленкам, нанесенным на диэлектрические, полу- проводниковые или металлические подложки; ограничение терми- 111 ческого и механического воздействия на активную область полу- проводникового прибора, керамическую подложку гибридной мик- росхемы или металлостеклянные спаи корпуса; необходимость свар- ки разнородных материалов; высокие требования к качеству и вос- производимости качества соединений; высокая производительность процессов и оборудования. Рис. 5.1. Структура прибора с гибкими металлическими проводниками: 1 – кристалл; 2 – подложка; 3 – вывод Большое значение при выборе технологии разводки имеет оценка металлургической совместимости свариваемых материалов (металл– металл, металл–полупроводник). Разнородные металлические пары в зоне контакта могут служить (например, соединение Au с Al – пурпурная чума) причиной полных отказов приборов. Для присо- единения и разводки выводов широко используются следующие способы сварки: ультразвуковая, одно- и двухсторонняя контактная и точечная, термокомпрессионная, давлением с импульсным косвен- ным нагревом. Могут также использоваться комбинации указанных способов, например, ультразвуковая сварка с импульсным косвен- ным нагревом. У отдельных типов приборов разводка выводов осу- ществляется пайкой низкотемпературными припоями. Материалом для выводов микросхем и полупроводниковых приборов обычно служит алюминиевая, золотая, серебряная или медная проволока (в отдельных типах приборов применяют облуженную или золочен- ную никелевую или медную плющенки). Такие выводы пластичны, хорошо проводят теплоту и электрический ток, имеют низкое со- противление в контакте с металлическими пленками, наклеенными на полупроводниковые структуры (Au, Ni, Al). Обеспечение высо- 112 кой пластичности позволяет образовать прочное соединение при определенной деформации в зоне создания сварного соединения. При пластическом течении проводника по другой свариваемой де- тали вытесняются из зоны соединения адсорбированные газы, тон- кие жировые и оксидные пленки, которые всегда присутствуют на поверхности металлов и неметаллов. Характер протекания процесса образования и его качество определяют состояние соединяемых по- верхностей, что заметно при присоединении проводников к тонким пленкам. Присоединение проводников к тонким пленкам сразу же после их получения позволяет создавать качественные соединения при умеренных параметрах режима. 5.2. Методы беспроволочного монтажа Постоянно расширяющееся производство изделий полупроводни- ковой микроэлектроники, в частности сверхбольших интегральных микросхем, где увеличивается плотность монтажа и количество мик- росоединений, методы беспроволочного монтажа ставятся на первое место в технологическом процессе сварки, поскольку он открывает большие возможности автоматизации производства, увеличения про- изводительности и повышения надежности изготавливаемых прибо- ров. Сущность беспроволочного монтажа состоит в одновременном соединении кристалла с выводами корпуса, металлической лентой носителя или пленочными контактными площадками на подложке (рис. 5.2). Технология беспроволочного монтажа включает в себя две основные операции: изготовление на кристалле или подложке жест- ких выводов, монтаж кристаллов с жесткими выводами на подложку с контактными площадками или в корпус. Жесткие выводы делятся на столбиковые (шариковые, формы усеченного конуса, пирамида) и консольные (балочные и паучковые). В зависимости от способов создания контактных выступов на пло- щадках и соединения активной зоны кристалла с выводной рамкой различают следующие методы беспроволочного монтажа: монтаж методом «перевернутого» кристалла, монтаж приборов и микро- схем с балочными выводами, монтаж микросхем с помощью гибко- го носителя (паучковое соединение). 113 Рис. 5.2. Структура беспроволочного монтажа: 1 – балочные выводы; 2 – кристалл микросхемы 5.3. Монтаж методом перевернутого кристалла Монтаж кристаллов с жесткими выводами на плату состоит из операций: ориентации кристалла, совмещения столбиковых выводов с контактными площадками платы и непосредственно операции мон- тажа (сварки или пайки). Столбиковые выводы могут быть выполне- ны из припоя или из меди, покрытой припоем. Схема монтажа кри- сталлов со столбиковыми выводами из припоя приведена на рис. 5.3. Рис. 5.3. Монтаж кристаллов со столбиковыми выводами из низкотемпературного припоя: а, б – нанесение гальваническим способом припоя и его оплавление; в – переворачивание кристалла; г – нанесение припоя на плату; д – присоединение кристалла к подложке; 1, 5 – припой, нанесенный на кристалл и оплавленный; 2 – пленка диоксида кремния; 3 – слой металлизации; 4 – кристалл; 6 – припой, нанесенный на плату; 7 – плата; 8 – столбик припоя 2 1 а б в г д 114 Наиболее распространены столбиковые выводы в виде шариков из меди, покрытые низкотемпературным припоем – сплавом олова и висмута (0,5 %). При плавлении припоя медные шарики одновре- менно служат дистанционными элементами, предотвращающими за- корачивание между соединениями. Монтаж методом перевернутого кристалла с такими выводами на подложку проводят способом пайки на специальных установках (рис. 5.4). Кристалл монтируется на нож- ку или подложку планарной стороной. Он с определенным усилием прижимается к подложке при температуре, несколько превышающей температуру плавления припоя. Рисунок контактных площадок на подложке является зеркальным отображением расположения (рисун- ка) выводов на кристалле. Припой расплавляется и стекает на кон- тактные металлизированные дорожки подложки, образуя прочные соединения. Кроме пайки используют и другие методы присоедине- ния: термокомпрессию, ультразвуковую сварку с косвенным импуль- сным нагревом. Разновидностью метода перевернутого кристалла является сборка кристалла с подложкой, когда столбиковые выводы (пьедесталы) выращены на подложке. Если контактные площадки на кристалле покрыты паяемыми металлами, например золотом, то вы- воды на подложке должны быть из оловянно-свинцовых припоев и сборку следует производить методом пайки. Если контактные пло- щадки на кристалле сделаны из алюминия, то сборку кристалла с под- ложкой следует производить с помощью ультразвуковой сварки, так как ультразвук разрушает оксиды на поверхности алюминия. Рис. 5.4. Монтаж кристалла с шариковыми выводами на подложке: 1 – кристалл; 2 – шариковый вывод; 3 – слой металла на подложке; 4 – подложка; 5 – столик с подогревом Р 115 Контактные выводы на подложке могут представлять композицию из токопроводящих клеев. Клеи наносят через отверстия в маске на металлизированную подложку, когда выступы высыхают, кристалл помещают на выступы, с помощью выравнивающей системы соеди- няют с подложкой. Клей обладает высокой пластичностью, поэтому механических напряжений в зоне контакта практически не возникает. Качество монтажа ИМС со столбиковыми выводами определяется разновидностью контактных площадок, материалом и качеством обра- ботки поверхности подложки, числом выводов микросхемы, размером кристалла. Для получения качественных соединений важно, чтобы минимальная толщина припойного покрытия выводов была больше максимальной неровности подложки. Наиболее высокие выступы кри- сталлов при соединении с подложкой следует подвергать деформации, чтобы обеспечивать тесный контакт во всех точках микросхемы. Об- щими преимуществами сборки полупроводниковых приборов и ИМС методом перевернутого кристалла являются: высокая степень автома- тизации производства, как самих контактных выступов, так и сборки, и большая прочность сварных и паяных соединений. К недостаткам способа сборки относятся: нестабильный теплоотвод от кристалла, сложные подготовительные операции по изготовлению подложек и трудность исправления некачественного соединения. При монтаже перевернутого кристалла вместо проволочных вы- водов используют выступы (столбики) 2 (рис. 5.5, а) высотой в де- сятые доли миллиметра, расположенные в определенных местах полупроводникового кристалла 1. Все необходимые соединения на кристалле электрически связаны с выступами. Кристалл переворачивают выступами вниз, опускают на плату с точно расположенными участками металлизации, приклады- вают давление и подводят теплоту для образования соединения высту- пов с платой. Выступы на кристаллах могут быть изготовлены из низ- котемпературного (мягкого) припоя, а также гальваническим осажде- нием алюминия или золота. Если выступы получают гальваническим осаждением, кристаллы присоединяют термокомпрессионной или уль- тразвуковой сваркой. Обычно в качестве выступов используют медные шарики (рис. 5.5, б). Для этого в кремниевом кристалле, имеющем контактные площадки, покрытые пленкой диоксида кремния, изготав- ливают окна, в которые осаждают три слоя (хром, хром–медь, хром– олово). Затем на них наносят шарик, который закрепляют оплавлением 116 мягкого припоя. При совмещении такого выступа с предварительно облуженной контактной площадкой платы и последующем нагреве с приложением давления к кристаллу происходит пайка, обеспечиваю- щая надежное соединение. Достоинством монтажа перевернутого кри- сталла является то, что все соединения выполняются одновременно. Использование при монтаже мягкого припоя облегчает демонтаж бра- кованных кристаллов. Пластичность мягкого припоя частично ком- пенсирует температурные напряжения в соединении. Рис. 5.5. Монтаж перевернутого кристалла: а – с выступами; б – с шариками; 1 – кристалл; 2 – выступы; 3 – плата; 4 – алюминиевая металлизация; 5 – пленка диоксида кремния; 6 – слои хрома; 7, 10 – припой; 8 – медный шарик; 9 – слой никеля 5.4. Монтаж кристаллов с балочными выводами Большое распространение в производстве полупроводниковых при- боров и ИМС получает монтаж кристаллов этих приборов с балоч- ными выводами. Балочные выводы (рис. 5.6, а) представляют метал- лические полоски толщиной 6–15 мкм, шириной 50–120 мкм, длиной 250–400 мкм, которые выступают за края кристалла (рис. 5.6, а). Выводы на кристалле обычно изготавливают из золота, осаждаемо- го электролитическим путем или алюминия распылением его в вакуу- ме на контакт. Относительно части кристалла балочный вывод изоли- руется слоем оксида. При монтаже кристаллов с балочными выводами, выходящими за габариты (рис. 5.6, б), гребенчатое расположение вы- водов экономит площадь полупроводниковых подложек. Кристалл 2 а б 117 с балочными выводами обычно присоединяют к слою металлизации 3 на плате 4 термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой. Балоч- ные выводы получают на подложках, еще не разрезанных на кристал- лы (по групповой технологии). Для этого на поверхности подложек со структурами создают в пленке диоксида кремния окна, в которые наносят золото, образующее балочные выводы, а затем травлением разделяют подложки на отдельные кристаллы. При монтаже кристал- лов к плате приваривают только наружные части балочных выводов, тем самым, предохраняя кристалл от разрушения и компенсируя на- пряжения, возникшие при сварке. Рис. 5.6. Монтаж кристалла с балочными выводами: а – конструкция кристалла; б – паучковое соединение; в и г – кристалла с балочными выводами на подложку; 1 – балочные выводы; 2 – кристалл; 3 – слой металлизации; 4 – плата; 5 – паучок; 6 – подложка; 7 – пластмассовая пленка; 8 – столбик; 9 – металлическое основание При изготовлении ИМС с балочными выводами высокие требова- ния предъявляются к операции разделения пластин на кристаллы. Кристаллы с балочными выводами присоединяют к подложке мето- дами термокомпрессии, ультразвуковой сварки и пайки. Практически эти методы выполняются на всех существующих высокопроизводи- тельных установках термокомпрессии и УЗ-сварки с небольшой мо- дернизацией столика, на котором крепится подложка интегральной микросхемы. Большое применение этот метод сборки находит при из- а б в г 118 готовлении СВЧ-приборов, так как можно получить приборы с малым значением емкости и индуктивности. На рис. 5.7 изображена конструкция СВЧ-диода с балочными выводами. Разновидностями монтажа крис- таллов с балочными выводами яв- ляются паучковые соединения и со- единение, получаемое напылением балочных выводов. Паучковое со- единение (рис. 5.6, б) целесообраз- но применять, когда выводов более десяти. Балки в виде паучка 5 вырубают из ленты алюминиевой фольги, накладывают на подложку и присоединяют, например тер- мокомпрессией, к контактным площадкам. Затем разделяют паучок на отдельные выводы и монтируют ИМС в перевернутом виде в ап- паратуре. При соединении, получаемом напылением балочных вы- водов (рис. 5.6, в), после выполнения всей пленочной разводки на нужных местах плат создают столбики 8, монтируют между ними кристаллы 2, которые накрывают сверху пленкой термопластичного материала (фторизированным этиленпропиленом) 7 и получают фо- толитографией в пластмассе окна, оставляя незащищенными стол- бики и лицевые поверхности кристаллов. Затем вакуумным напы- лением в окна наносят золотую металлизацию (балочные выводы 1), соединяющую кристаллы со столбиками. Балочные выводы можно получать также на плате (рис. 5.6, г). Для этого предварительно на- пылением и фотолитографией создают на плате 4 пленочные балоч- ные выводы, а также отверстия, в которые помещают кристаллы 2, присоединяя их нижнюю сторону к металлическому основанию 9 (это способствует улучшению теплоотвода), а верхнюю соединяют термокомпрессией с балочными выводами. Метод сборки ИМС и полупроводниковых приборов с балочны- ми выводами обладает рядом достоинств: места соединения балоч- ных выводов с внешними выводами корпуса можно просматривать с помощью обычных оптических приборов; могут быть использова- ны различные способы присоединения, в том числе контактная свар- ка, пайка, термокомпрессия, ультразвуковая сварка; так как концы балочных выводов выступают за края кристалла, то снижаются тре- Рис. 5.7. Конструкция СВЧ-диода с балочными выводами: 1 – кристалл; 2 – балочные выводы; 3 – слой оксида 119 бования к допускам на размеры и точность расположения внешних соединений по сравнению с ИМС с выступами; не распространяется теплота, выделяемая в момент присоединения интегральной микро- схемы на активные элементы кристалла; кристалл не разрушается, так как давление при монтаже прикладывается к балочному выводу. В то же время такой монтаж в два раза дороже монтажа переверну- тых кристаллов, так как требуется дополнительная металлизация и не допустимы даже незначительные отклонения плат от плоско- стности. Кроме того, балочные выводы легко изгибаются (их сече- ние обычно равно 13 × 76 мкм), но иногда ломаются. Необходимо отметить, что беспроволочные соединения целесообразно применять в массовом производстве при выпуске полупроводниковых прибо- ров и ИМС в миллионных масштабах. 5.5. Методы крепления выводов на гибком носителе Одним из последних достижений в области сборки ИМС является метод «паучкового» крепления выводов, который позволяет автома- тизировать процесс сборки и проводить технологический контроль и электрические испытания непосредственно в процессе производ- ства. Этот метод обеспечивает улучшенный теплоотвод прибора бла- годаря использованию толстых медных или алюминиевых проводов и возможности монтажа кристаллов микросхем не только в корпус, но и на гибких носителях (лентах). Следовательно, этот метод явля- ется одним из эффективных путей повышения производительности труда и улучшения качества микросхем. Ленточный носитель изго- товляется из стойких химических и термореактивных смол класса полиэфиров. Полиимиды обладают высокими термостойкостью, а так- же стабильностью физических и химических свойств при воздей- ствии кислот. Их можно подвергать селективной химической обра- ботке и использовать в качестве подложки для вакуумного напыле- ния металлических пленок. Полиэфирные пленки на основе полиэти- лентерефталата относятся к более перспективным материалам: они дешевле полиимида и значительно стабильнее по свойствам, в част- ности более стойки к воздействию влаги и высокой температуры. Технологический процесс изготовления ленточного носителя на- чинается с нанесения адгезива (класс фенолов, эпоксидов или полии- мидов) на пленку из полиимида или полиэфира. Нанесенный слой су- 120 шат, а затем пленку разрезают на ленты определенной ширины. Лента выпускается шириной одного-двух стандартных форматов (обычно 8 и 16 мм). В ленте с помощью автоматического пуансона вырубают краевую перфорацию и отверстия, куда на последующих операциях помещаются кристаллы. При этом строго соблюдаются размеры пер- фораций. Затем на ленту с краевой перфорацией наклеивается медная или алюминиевая фольга. Для этого ленту и медную (алюминиевую) фольгу подают с двух различных катушек в автоматический пресс, где их подвергают кратковременному нагреву при механическом давлении (1,5–2,0) 105 Па. После охлаждения при температуре окружающей среды обратную сторону ленточного носителя покрывают лаком и сма- тывают на катушку. Медная или алюминиевая фольга протравливается фотолиграфическим методом до получения тонких паукообразных выводов, которые нависают над центральным вырезом, т. е. получают- ся определенной формы балочные выводы. После травления медной фольги электрохимическим осаждением на нее наносится припойное покрытие на основе сплава олово-висмут. Для изготовления ленточ- ных носителей обычно используются полиимидные пленки, марка ко- торых определяется типом адгезива и термостойкостью пленки. На рис. 5.8 приведена схема изготовления ленточного носителя на основе полиимидной пленки. Рис. 5.8. Схема изготовления ленты-носителя на основе полиамидной пленки: а – Cu-пленка; б – полиамид; в – перфорация и прошивка отверстий под кристаллы в полиамиде; г – полиамидная лента с наклеенной Cu-фольгой; д – лента-носитель после травления Cu-фольги со сформированными паучковыми выводами На механические качества паучковых выводов большое влияние оказывают класс обработки, ровность (плоскостность), толщина и мик- роструктура фольги, а также адгезия фольги к полиимидной пленке. а б в г д 121 Паучковые выводы закреплены на гибкой диэлектрической пленке и не соединены друг с другом, вследствие чего возможно измерять электрические параметры микросхем после присоединения кристал- лов. Выводы кристаллов присоединяют к паучковым выводам мик- ропайкой или ультразвуковой сваркой в зависимости от используе- мых материалов. При микропайке с импульсным нагревом (рис. 5.9) паучковые вы- воды 2, закрепленные на диэлектрической пленке 3, совмещаются со столбиковыми выводами 4 на кристалле 5. Головка 1 опускается, прижимая паучковые выводы к столбиковым контактам. Через нее пропускается импульс тока, и места контакта нагреваются до темпе- ратуры пайки. Слой клеящего вещества 6, удерживающий кристалл на подложке 7 в ориентированном положении, расплавляется, и при поднятии инструмента кристалл, припаянный к паучковым выво- дам, отрывается от подложки под действием силы, вызванной упру- гой предварительной деформацией паучковых выводов. Силы сцеп- ления кристалла с клеящим веществом и подложкой должны быть меньше этой силы. Рис. 5.9. Схема микропайки паучковых выводов с косвенным импульсным нагревом инструмента: 1 – нструмент; 2 – паучковый вывод; 3 – диэлектрическая пленка; 4 – контакт на кристалле; 5 – кристалл; 6 – слой клеящего вещества; 7 – подложка При микропайке с общим нагревом (рис. 5.10) после совмещения паучковых выводов 1 с шариковыми контактами 5 кристалла 4 ва- куумный присос 3 перемещается вверх, деформируя выводы на не- которую величину L. В результате упругой деформации выводов возникающая сила стремится их прижать к шариковым контактам 122 на кристалле. Включается нагревательный элемент 2, в местах со- прикосновения выводов достигается температура плавления припоя (шариковые выводы кристалла покрыты легкоплавким припоем). После остывания в местах контакта образуется спай. Алюминиевые паучки присоединяются к алюминиевым контактным площадкам кристалла с помощью ультразвуковой сварки. Применение ультра- звука исключает нагрев кристаллов микросхем при сварке, который может приводить к выходу их из строя. Внешне микросхемы с та- кими выводами подобны пауку, причем радиальное расположение выводов соответствует на одной стороне контактным площадкам на кристалле, а на другой – выводам внешней платы или корпуса. Рис. 5.10. Микропайка с общим нагревом: 1 – паучковые выводы; 2 – нагреватель элементов; 3 – вакуумный присос; 4 – кристалл; 5 – шариковый контакт 5.6. Присоединение выводов с помощью ультразвуковой микросварки УЗС – это метод соединения металлов в твердом состоянии, отли- чающийся от других видов сварки способом введения энергии в зону сварки. Сближение свариваемых материалов (проволока с контакт- ной площадкой) и образование соединения происходит при пласти- ческой деформации материалов от совместного воздействия усилия напряжения и тепловой энергии за счет процессов трения и воздейст- вия на материалы УЗ-полем частотой 66±10 % кГц для микросварки. Метод является базовым при выполнении технологических операций сборки полупроводниковых приборов алюминиевой проволокой. Ос- новными достоинствами метода УЗС-выводов являются: возмож- ность соединения широкой номенклатуры материалов; получение L 123 соединений материалов с окисленными поверхностями; высокая ме- ханическая прочность соединений. Для образования соединения важ- ны процессы, происходящие в зоне контактирования соединяемых материалов. Процесс протекает наиболее эффективно в случае хоро- шего сцепления между сварочным инструментом и проводником. На рис. 5.11, а показано поперечное сечение проводника во время соединения с помощью инструмента типа клин. Рис. 5.11. Процесс УЗ-сварки: а – поперечное сечение при соединении клином; б – напряжение вибраций; в – зависимость нормального напряжения в центре проволоки от времени сварки; г – зависимость нормального напряжения в момент времени и горизонтального напряжения, введенного пульсацией, определяющих зону соединения; д – зависимость распределения вертикального напряжения для двух значений времени сварки и расстояния до центра соединения; е – те же взаимосвязи, но для позднего момента времени а б в д г е 124 В то время как проволока находится под нагрузкой, механическое перемещение или вибрация инструмента для УЗС вызывает скачок уплотнения на алюминиевой контактной площадке (рис. 5.11, б). Распространение волнового фронта по проволоке обусловливает об- разование волнистой структуры посредством воздействия напряже- ния сдвига на алюминиевой контактной площадке перпендикулярно к направлению вибраций. До или во время движения волнового фрон- та УЗ-энергия поглощается проволокой, при этом она размягчается и под действием нагрузки течет, разрывая поверхностный оксид и оставляя незащищенной чистую поверхность проволоки и кон- тактной площадки. Эти чистые незащищенные поверхности металлов быстро свариваются. Соединение образуется в тороидальной области вокруг центра контактной площадки и проволоки. На рис. 5.11, в, г показана модель, поясняющая механизм соединения. Поскольку про- волока размягчается и деформируется, вертикальное напряжение уменьшается во времени. Вибрирующее воздействие инструмента для УЗС вызывает появление горизонтального напряжения. При среднем вертикальном напряжении происходит соединение, и свариваемая область растет с увеличением времени, так как верти- кальное напряжение уменьшается (рис. 5.11, е). Увеличение сцепле- ния инструмента с проводником можно добиться за счет состояния (формы) поверхности инструмента, либо за счет увеличения контакт- ного усилия. Однако оно ограничивается узкой зоной пластичности и повышенной склонностью к образованию внутренних напряжений и трещин в полупроводниковых материалах и диэлектрических под- ложках. Необходимые условия сцепления обеспечиваются соответ- ствующей шероховатостью рабочего торца инструмента и создани- ем специального профиля (продольная или поперечная канавка или продольное углубление, рис. 5.12). В первый момент контактного взаимодействия проволоки с ин- струментом формируется контакт, обеспечивающий хорошую переда- чу колебаний, и исключаются условия смещения проволоки. Создано несколько способов УЗС: с модуляцией частоты генератора, автомати- ческим поиском частоты преобразователя с последующей фиксацией частоты генератора и автоподстройкой частоты. Эти способы обеспе- чивают воспроизводимость параметров и с успехом используются. Наиболее перспективной считается создание адаптирующих систем для микросварки, позволяющих в условиях массового производства 125 получать достаточно высокие механические свойства свариваемых соединений. Более точный контроль за качеством соединений имеют системы, в которых управление сваркой ведется в зависимости от из- менения амплитуды колебаний инструмента, тока или напряжения в электрической цепи преобразователя. Повышение точности обуслов- лено тем, что изменение указанных параметров вызвано увеличением тормозящей силы в процессе образования соединений, величина кото- рой зависит от свойства контакта инструмент–проволока. Изменение этих свойств вносит неопределенность в передачу ультразвуковых ко- лебаний в зону сварки, что существенно влияет на длительность каж- дой из трех стадий формирования соединений от сварки к сварке. По- этому предусматривается разработка систем управления параметрами процесса УЗС с учетом кинетики образования соединений, обеспечи- вающих условия формирования высокопрочных соединений и кон- троль их качества непосредственно в процессе сварки. Рис. 5.12. Конструкция сварного инструмента для УЗС: а – с продольной канавкой; б – с продольным углублением; в – профиль инструмента Параметры УЗС определяются свойствами свариваемых материа- лов и поверхностных пленок. Основными параметрами являются ве- личина амплитуды колебаний сжимаемого усилия и время, взаимосвя- занное при сварке. От качества свариваемых поверхностей зависят условия протекания процесса сварки. Соединения одинаковой прочно- сти могут быть получены в различных сочетаниях основных факторов, но время образования сварочного соединения (стадия формирования зон схватывания) для конкретных материалов и качества подготовки их поверхностей являются величиной, не зависящей от выбора режи- ма. Для каждой пары свариваемых материалов время, в течение кото- а б в 126 рого скорость осадки постоянна, является характерной величиной. Ес- ли сварочный режим обеспечивает малое время протекания осадка, то соединение образуется лишь на части площади контакта и прочность сварки мала. При завышенных режимах, когда постоянная скорость осадки высока, контактное соединение получается некачественным либо из-за высокой осадки, либо из-за разрушения под воздействием колебаний образовавшегося контактного соединения. Следовательно, между кинетикой образования соединения и параметрами процесса существует сложная взаимосвязь, которая определяет качество сварки. Например, алюминиевую проволоку легируют кремнием (1 %) для увеличения твердости и жесткости. Необходимо соблюдать требова- ния к состоянию поверхности, на которой бы отсутствовали механиче- ские повреждения и загрязнения. Поверхности контактных площадок должны быть одинаковой толщины. Оптимальных результатов при УЗС можно достичь, подбирая значения параметров так, чтобы обес- печить максимальную воспроизводимость качества соединения в соче- тании с высокой прочностью соединений (на отрыв). Для обычных при сборке микросхем параметров проводников в пределах 25–50 мкм па- раметры процесса сварки варьируются из следующих основных со- ставляющих: частота сварочных импульсов – от 60 до 72 кГц и выход- ная мощность УЗ частоты от 0,63 до 6,3 Вт; усилие сжатия присоеди- няемых элементов от 0,1–1,2 Н; время присоединения 0,01–0,2 с. При применении ультразвуковой сварки существует угроза поглощения УЗ- энергии, передаваемой инструментом к выводам корпуса. Это проис- ходит, когда вывод имеет большую свободную длину – вылет и может наблюдаться отслаивание сварных соединений или образование низ- копрочных соединений. Причиной является уменьшение резонансной частоты вывода с увеличением его длины, приводящее к резонансному возбуждению вывода. Такие колебания частично или полностью рас- ходуют ультразвуковую энергию. Круглый вывод диаметром – 0,5 мм и длиной – 1,5 мм, применяемый в корпусах ГИС, имеет резонансную частоту – 60 кГц и практически полностью гасит проводимую УЗ- энергию. Для приведенного типа надежная сварка возможна при длине вывода менее 1 мм, т. е. прочность сварки приближенно прямопропор- циональна длине вывода. Плоские горизонтальные выводы корпуса также могут поглощать УЗ-энергию, но для них проблема сварки ре- шается выбором места сварки ближе к месту крепления вывода. При необходимости использования более длинных выводов рекомендуется 127 точное определение момента касания проволоки с выводом корпуса с помощью контактных или бесконтактных датчиков и создание виб- рации стола с корпусом в момент включения необходимой для сварки мощности УЗ-генератора. Эта вибрация компенсирует потерю энергии на возбуждение вывода. При этом программируется величина пере- мещения стола и количество циклов сканирования. Причинами отка- зов при УЗС часто являются плохое закрепление корпуса прибора, ин- струмента в держателе, неправильно выбранная конструкция корпуса и длина инструмента. Повреждение полупроводникового материала под контактной площадкой является результатом использования слиш- ком твердой проволоки, чрезмерно длительной сварки или недоста- точной нагрузки на инструмент. Нагрузка на инструмент не должна вызвать перемещения проволоки в процессе сварки. Конкретное зна- чение усилия нагружения зависит от размера и конструкции сварочно- го инструмента, материала сечения, твердости присоединяемого про- водника и металлизации подложки, кристалла. Недостаточная нагруз- ка на инструмент может привести к повреждению материала полупро- водника под контактной площадкой вследствие вибрации инструмен- та, а слишком большая нагрузка – к разрушению соединения. Область оптимальных усилий нагружения определяют испытаниями на отрыв, сохраняя постоянными время и мощность УЗ-колебаний. Полученные оптимальные значения усилия сжатия перепроверяются после нахож- дения области оптимальных значений мощности и времени (рис. 5.13). Рис. 5.13. Зависимость прочности соединения от ширины сварного соединения 128 Обычно предпочтение отдается более высокой мощности при ми- нимальном времени сварки. Оптимальное значение определяется так- же испытаниями на отрыв. Зная оптимальную величину нагружения и времени присоединения, находят близкое к оптимальному значение мощности. Испытанием нескольких соединений на отрыв, выполнен- ным на разных значениях УЗ-мощности, находят ее оптимальное зна- чение. Качественное присоединение проволочных выводов обеспе- чивается конструкцией инструмента. Наиболее надежен инструмент с вогнутой рабочей поверхностью и продольной канавкой (рис. 5.12). Для варианта 5.12, а отполированные передний и задний радиусы создают плавный переход проводника в соединение, а матовая (неот- полированная) рабочая площадка инструмента обеспечивает мини- мум перемещений на границе инструмент–проводник. Вогнутая с ма- лой кривизной поверхность рабочего торца создает небольшую де- формацию и высокую прочность соединения на отрыв. Для присоединения проводников различного диаметра исполь- зуются сварочные инструменты с разными размерами рабочей пло- щадки. При больших размерах контактной площадки и кристалла и правильной топологии рекомендуемая величина рабочей площади инструмента должна составлять 2,5–3,0 диаметра проводника. Чем она больше, тем менее критичным будет режим сварки, т. е. возрастет выход годных изделий. Типичный инструмент для УЗС имеет (рис. 5.12) передний ра- диус r, рабочую площадку b и задний радиус r1. Рабочая площадка плоская либо слегка вогнутая, либо имеет продольную канавку. Глу- бина вогнутости должна составлять 20–30 % диаметра проводника. Передний радиус формирует плавный переход проводника в соеди- нение первой сварки и выполняет отделение проволоки после второй сварки. Задний радиус составляет 40–100 % диаметра проводника в зависимости от рабочей площадки инструмента. Задний радиус обычно меньше, чем передний. В процессе сварки происходят пере- мещения в основном на границе проводник – подложка. Инструмент с отполированной рабочей площадкой после нескольких сотен сварок прирабатывается и выполняет качественные соединения. Передний и задний радиусы инструмента полируются. Канавки на инструменте выполняются на его рабочей поверхности, чтобы улучшить сцепле- ние с проводником. Инструмент с поперечными канавками рекомен- дуется в случае соединения трудносвариваемых материалов. Проч- 129 ность соединения, выполняемого с помощью вогнутого инструмента выше, чем соединения, выполненного инструментом с плоским тор- цом. При сварке инструментом с вогнутой поверхностью присоеди- нение в центре происходит на большей поверхности, чем при сварке инструментом с плоским торцом. Инструмент периодически очища- ется, для проволоки диаметром 15–35 мкм не реже чем через 50 ты- сяч сварок, а для более толстых – ежедневно. Качество очистки и из- нос инструмента проверяются визуально под микроскопом. Присо- единение толстой проволоки имеет ряд особенностей, связанных с затруднениями при ее подаче в процессе образования петли: чрез- мерная деформация соединения, повреждения при изгибах для фор- мирования петли, появление царапин. Для отделения толстой прово- локи после второй сварки пользуются одним из двух методов. Пер- вый состоит в натяжении проволоки и отрыве ее, как и для прово- локи, диаметром 25–35 мкм. В этом случае применяют инструмент с вогнутой рабочей поверхностью. Другой метод заключается в отре- зании проволоки ножом. Применяют инструмент с продольной ка- навкой. Первую сварку при УЗС выполняют на кристалле, так как это исключает замыкание краем кристалла (рис. 5.14, а). Однако при монтаже в корпус с углублением трудно обеспечить первую сварку на кристалле, а вторую на выводе с помощью стандартного инстру- мента с углом подачи проволоки 30. Для преодоления этой трудно- сти используют обратный метод формирования перемычки. Сварка выполняется с выводом корпуса на кристалле (рис. 5.14, б). Рис. 5.14. Прямой (а) и обратный (б) методы формирования проволочной перемычки при УЗС а б 130 Качество УЗС-соединений контролируют визуально – наблюдени- ем в микроскоп и испытаниями на механическую прочность. Широкое распространение при испытании на механическую прочность получил метод испытания на растяжение, так как для его реализации использу- ется несложное оборудование, замеряющее значение прочности мик- росварных соединений. Контроль осуществляется методом приложе- ния отрывных усилий к приваренным выводам. Испытания микро- сварных соединений проводят двумя методами: до разрушения и до предварительного заданной величины. В промышленности для кон- троля прочности микросварки используют установки 12 МП 0,05/100. Наиболее характерными видами брака при УЗС являются растрески- вание кристалла и сильная деформация проволоки (более 60 %). При испытаниях на механическую прочность наблюдается три вида разрушения соединений: по пережиму проволоки; отрыв проволоки от контактной поверхности; отрыв пленки контактной поверхности вместе с соединением. Характер разрушений указывает на необхо- димость корректировки технологического режима сварки. 5.7. Присоединение выводов с помощью контактной точечной микросварки Контактная точечная микросварка широко используется для при- соединения выводов в полупроводниковом производстве. Физическая сущность контактной микросварки заключается в нагреве металла в местах максимального электрического сопротивления при прохож- дении тока и одновременном сжатии свариваемых деталей. Основны- ми параметрами процесса контактной микросварки являются: вели- чина сварочного тока; время сварки; усилие сжатия электродов. Кон- тактная микросварка применяется для присоединения металлических проводников к токопроводящим пленкам на диэлектрических и полу- проводниковых подложках к внешним выводам корпусов, когда недо- пустим общий подогрев изделия. Образующиеся соединения при кон- тактной точечной микросварке разделены на два вида: соединения с литым ядром и соединения в твердой фазе. Соединения в твердой фазе характерны для присоединения выводов с односторонней свар- кой. Оно образуется в результате рекристаллизации, когда происходит взаимное прорастание зерен через поверхность раздела или в результа- те пластической деформации при температуре рекристаллизации, ко- 131 гда происходит молекулярное сцепление по поверхности раздела двух материалов. В настоящее время контактная микросварка осуществля- ется несколькими способами: с двусторонним расположением элект- родов, односторонним расположением двумя электродами, сдвоенным расщепленным, строенным расщепленным электродами (рис. 5.15). Рис. 5.15. Основные способы контактной точечной сварки выводов: а – сварка с двусторонним расположением электродов; б – сварка с односторонним расположением электродов; в – сварка сдвоенным расщепленным электродом; г – сварка строенным расщепленным электродом Односторонняя сварка двумя электродами (рис. 5.15, б) применя- ется для соединения тонких проводников (проволоки и ленты) с отно- сительно толстыми пленками (более 20 мкм) в местах, доступных для размещения двух электродов. При этом импульс электрического тока проходит от электродов через слой металлизации. Так как контактное сопротивление привариваемого проводника к металлизируемому слою оказывается максимальным под левым электродом, максимальный разогрев металла и сварка проходят в области левого электрода. Для присоединения выводов широкое распространение получил метод контактной сварки расщепленным электродом (рис. 5.15, в, г). В момент прижатия этим электродом свариваемой проволоки про- пускается электрический ток. Часть его протекает через участки про- волоки, зажатой между двумя параллельными электродами, а часть – через токопроводящую пленку. Прохождение тока сопровождается сосредоточенным выделением тепловой энергии в месте контакта между соединяемыми деталями. Внешнее давление в сочетании с ра- зогревом деталей до температур пластического состояния способству- ет образованию прочного соединения. Расстояние между двумя эле- ментами электрода составляет два–три диаметра привариваемой про- а б в г 132 волоки. Сила сварочного тока, проходящего через верхние и нижние детали свариваемого соединения, зависит от их сопротивления. При этом могут образовываться три различных соотношения между сопро- тивлениями верхней и нижней детали сварочного соединения: – сопротивление материала обеих деталей одинаково; – сопротивление верхней детали больше; – сопротивление нижней детали больше. При присоединении металлических проводников к металлизиро- ванным полупроводниковым структурам наиболее типичен третий ва- риант. Сварочный ток в основном проходит через верхнюю деталь (про- волоку), сопротивление которой с ростом температуры увеличивается. Ток разветвляется и начинает проходить через нижнюю деталь (метал- лизированную пленку), что приводит к выравниванию температур. На рис. 5.16 представлена схема присоединения золотой прово- локи к диодной кремниевой структуре, имеющей расширенный кон- такт, представляющий собой алюминиевую пленку 4, напыленную на слой SiO2 5. Рис. 5.16. Схема присоединения вывода к диодной структуре методом расщепленного электрода: 1 – электрод; 2 – привариваемая проволока; 3 – сварная точка; 4 – омический контакт; 5 – оксидный слой; 6 – кристалл Высокий локальный разогрев места сварки при такой геометрии структуры практически не влияет на свойства p–n-перехода. Способом сварки с расщепленным электродом можно соединять проводники диаметром 20–150 мкм с различными тонкими пленка- ми и выводами корпусов (подложек). При микроконтактной сварке строенным электродом (рис. 5.15, г) нагрев осуществляется трехфаз- ным током, что создает более равномерный нагрев свариваемых дета- лей, требуется меньшая мощность свариваемого импульса и не про- 133 исходит перегрева проводника в межэлектродных зазорах. Однако в полупроводниковом машиностроении преимущество имеют уста- новки со сдвоенным электродом, как не требующие увеличения раз- меров контактных площадок и обеспечивающие присоединение элект- родных выводов сшиванием, т. е. последовательным выполнением первой и второй сварки (присоединение вывода сначала к контакт- ной площадке кристалла, а затем к выводу корпуса). Важными для получения качественного соединения в процессе контактной мик- росварки являются форма и материал инструмента, который пред- ставляет склеенные через диэлектрическую прокладку с определен- ным зазором электроды, или отдельные электроды, закрепленные в сварочной головке, обеспечивающей регулирование зазора между ними. Материал электродов – молибден или вольфрам. Рабочие тор- цы электродов быстро изнашиваются, поэтому важным является пра- вильный выбор формы и размеров торцов электродов. На рис. 5.17 показана оптимальная фор- ма торцов расщепленных электродов для микросварки проволоки с тонкими пленка- ми. Рабочая часть наконечников электродов имеет форму усеченной пирамиды с шири- ной контактных площадок от 3 до 5 диамет- ров присоединяемой проволоки. К рабоче- му инструменту предъявляется ряд эксплу- атационных требований: передача в зону сварки заданного количества энергии с ми- нимальными потерями; обеспечение надеж- ного электрического контакта с присоеди- няемым проводником; возможность пере- точек рабочего торца инструмента; макси- мальная стойкость инструмента между переточками. Срок службы электродов составляет 30–40 тыс. сварочных циклов. Максимальную прочность привариваемых электродных выводов можно получить при оптимальном подборе длительности нарастания напряжения и тока сварочного импульса, а также усилия сжатия свариваемых деталей. Недостатки микроконтактной сварки – из-за неправильно подобранно- го режима возможны поломки полупроводниковых кристаллов (обра- зование трещин), ухудшение электрических параметров, значительная деформация электродных выводов в месте присоединения. Рис. 5.17. Форма торцов сдвоенных электродов для микросварки проволоки с тонкими пленками 134 5.8. Присоединение выводов термокомпрессионной сваркой Термокомпрессионная микросварка – метод сварки давлением с по- догревом – используется для соединения в твердом состоянии ме- таллов с металлами и полупроводниками при относительно невысо- ких удельных давлениях и нагреве до температуры ниже темпера- туры образования эвтектики соединяемых материалов. Метод состоит в том, что в результате силы, приложенной инстру- ментом на проволочный вывод, лежащий или касающийся торцом ме- таллизированной контактной площадки кристалла, при нагреве проис- ходит пластическая деформация, создающая взаимную диффузию меж- ду соединяемыми элементами и образование прочного соединения. В полупроводниковом производстве термокомпрессионная свар- ка применяется для монтажа гибридных проволочных выводов из золота, алюминия, меди к тонкопленочным контактным площадкам, к металлизированной поверхности полупроводниковых кристаллов и выводам корпусов. Для предотвращения разрушения соединения из-за остаточных напряжений один из соединяемых материалов при термокомпрессии должен обладать высокой пластичностью (гибкий проволочный вывод). Процесс присоединения проволочных выво- дов к кристаллу проводника (контактной площадке) термокомпрес- сионной сваркой представлен на рис. 5.18. Рис. 5.18. Схематический процесс присоединения проволочного вывода к кристаллу термокомпрессионной микросваркой и ее разновидности в зависимости от способа нагрева: а – нагрев только рабочего столика; б – нагрев рабочего инструмента; в – одномерный нагрев рабочего столика и инструмента; 1 – рабочий инструмент – пуансон; 2 – присоединяемый проводник; 3 – подложка или кристалл полупроводникового прибора; 4 – рабочий столик; 5 – спираль для нагрева а б в 135 Полупроводниковый кристалл закрепляют на специальном сто- лике 4 нагревательной колонки. К кристаллу 3 одним из микрома- нипуляторов подводят золотую проволоку 2, а другим – рабочий инструмент – иглу-пуансон 1, которая прижимает проволоку к кри- сталлу с определенным удельным давлением. Перед проведением сварки поверхность кристалла тщательно очищается, а золотая про- волока подвергается отжигу для увеличения пластичности. Рабочий диапазон температур и давлений при термокомпрессии выбирают так, чтобы температура сварки была ниже температуры эвтектики соединяемых материалов, а давление таким, чтобы обес- печить деформацию металлического проводника на 30–60 %. Дли- тельность процесса зависит от выбранных режимов и состояния по- верхностей свариваемых контактной площадки и выводов. Все соединяемые материалы при термокомпрессии можно разде- лить на три типа: а) металлы с хорошей взаимной диффузией в твердом состоянии, образующие ряд твердых растворов (Ag-Au, Au-Cu). Они обладают наилучшей свариваемостью при соединении термокомпрессией; б) материалы, образующие между собой низкотемпературные эв- тектики (Al-Si, Au-Si); они обладают удовлетворительной сваривае- мостью; в) металлы, взаимная диффузия которых приводит к образованию интерметаллических соединений и эвтектик (Au-Al, Au-Sn); они об- ладают удовлетворительной свариваемостью, но при их соединении требуется более тщательное соблюдение рекомендованных режимов. На эффективность и качество соединения при термокомпрессии влияет окисление поверхности. Наиболее качественные соединения методом термокомпрессии получаются при сварке проводников с ме- таллическими пленками непосредственно после их напыления на по- лупроводниковые пластины. Термокомпрессионная сварка выводов реализуется рядом разновидностей: по способу нагрева (рис. 5.18), по способу соединения (рис. 5.19), по типу образующегося соеди- нения, обусловленного формой инструмента (рис. 5.20). При сварке внахлестку (рис. 5.19, а) проволочный вывод накла- дывается на металлизированную контактную площадку, при этом ось вывода располагается параллельно плоскости контактной пло- щадки. При сварке встык (рис. 5.19, б) конец проволочного вывода (ось вывода перпендикулярна плоскости контактной площадки) пред- а б а б в г 137 Торец рабочего инструмента может быть плоским, с поперечной канавкой и выступом. При сварке с помощью иглы-пуансона подача проволоки на контактную площадку, совмещение торца иглы с про- волокой и контактной площадкой производятся раздельно, поэтому производительность такого способа сварки невелика. При сварке с помощью капилляров проволока совмещена с рабочим инструмен- том. Капилляр «птичий клюв» из-за его сложности в настоящее вре- мя редко используется. Наиболее широко применяются капилляры с центральным отверстием и с боковой подачей. На торец капилля- ров обычно наносится формирующая канавка, которая ограничива- ет пластическое течение материала проволоки и принудительно уве- личивает скорость пластического течения в приконтактной зоне, бла- годаря чему получается прочное соединение при небольших нагрузках на инструмент. В качестве материала рабочего инструмента исполь- зуют синтетический корунд, твердые сплавы ВК-6М, ВК-15 и кера- мику Al2O3 (для капилляров). При присоединении и разводке выводов методом термокомпрес- сионной сварки используются две основные схемы: 1. На контактных площадках прибора и внешних выводах со- здаются нахлесточные соединения с помощью капилляра с боковой подачей. 2. На контактных площадках прибора создаются соединения встык, а на внешних выводах – нахлесточные соединения с помощью ка- пилляра с центральным отверстием. Более предпочтительна вторая схема, так как прочность сваривае- мых соединений, выполненных встык, значительно выше прочности соединений внахлестку. Чтобы исключить замыкание на край кри- сталла и компенсировать механические напряжения, возникающие при перепадах температур, вблизи мест приварки соединительный проводник должен иметь изгибы (петли). Проволока перед сваркой проходит операции подготовки: обезжиривание, при необходимо- сти термоотжиг в стационарных печах и на установках непрерывно- го отжига. Для присоединения золотой и алюминиевой проволок к траверсам корпусов транзисторов, к подложкам и корпусам ГИС, изготовленных из ковара, никеля, ситалла, покрытых золотом, наи- более успешно используется сварка с косвенным импульсным нагре- вом. Процесс сварки представлен на рис. 5.21. 138 Рис. 5.21. Термокомпрессионная сварка с косвенным импульсным нагревом V-образным электродом: 1 – инструмент; 2 – электродная проволока; 3 – кристалл; 4 – корпус (подложка); 5 – столик Под необходимым давлением P приводятся в контакт инструмент, металлический проводник и кристалл полупроводника. Затем через инструмент пропускается импульс тока длительностью 0,01–2,00 с. При этом торцевая часть инструмента разогревается, вместе с ним нагревается металлическая проволока и кристалл полупроводника. Под воздействием приложенного давления происходят осадка ме- таллического проводника и образование соединения. При термокомпрессионной сварке золотой проволоки и Al кон- тактных площадок возможно образование интерметаллических со- единений, ухудшающих качество и надежность сварных соединений. Визуальный осмотр соединений является наиболее распространен- ным методом контроля. Качество готовых узлов проверяют 100%-м осмотром под микроскопом на соответствие требованиям чертежа. Зона сварки не должна быть смещена за границы контактной пло- щадки. Деформация выводов должна составлять 30–60 % от его тол- щины. Дефекты в структуре полупроводникового кристалла, возник- шие в процессе присоединения выводов, также выявляются по элект- рическим характеристикам прибора. Например, резкое увеличение обратных токов и падение пробивного напряжения диодной структу- ры свидетельствует о возможных микротрещинах в объеме полупро- водникового кристалла, образовавшихся в результате термокомпрес- сии. Для выполнения операций термокомпрессионной микросварки разработано и действует в промышленности большое число специа- 139 лизированных установок. К достоинствам термокомпрессионной мик- росварки относятся стабильность процесса микросварки, высокая стойкость сварочного инструмента, легкая регулировка и нечувстви- тельность к небольшим изменениям режима сварки. Ее недостатки связаны с необходимостью подогрева свариваемых деталей до температуры 350–400 C. При термокомпрессионной свар- ке возможно образование интерметаллических соединений, ухудшаю- щих качество и надежность свариваемых соединений. 5.9. Присоединение выводов пайкой Присоединение выводов пайкой применяется при изготовлении мощных полупроводниковых приборов (выпрямительных диодов, транзисторов, СВЧ-диодов), а также для монтажа гибких проволоч- ных выводов к тонкопленочным (предварительно облуженным) кон- тактным площадкам в гибридных микросхемах. Пайку выводов мощ- ных полупроводниковых приборов выполняют низкотемпературны- ми припоями на основе олова, свинца, индия в печах непрерывного и периодического действия в атмосфере защитного газа. При этом детали прибора собираются в определенной последовательности в кассетах (рис. 5.22), фиксируя их в нужном положении относи- тельно друг друга. Припой в виде детали определенной формы и раз- меров закладывают между соединяемыми элементами. Иногда при- пой предварительно наносят гальваническим способом на конец плос- ких выводов или электрохимическим способом в виде шарика – на конец проволочного вывода. Кассеты изготовляют из термостойких материалов, несмачиваемых или плохо смачиваемых расплавленным припоем. При пайке выводов в термических установках роль флюса выполняет водород (или его смесь с азотом), восстанавливающий оксиды на поверхностях соединяемых деталей и припоя, а также предохраняющий их от окисления. Процесс присоединения электродных выводов складывается из не- скольких этапов: нагрева деталей до максимальной температуры пай- ки, выдержки при этой температуре и охлаждения с определенной температурой до 50–100 С. Охлаждаться спаянные детали могут вместе с печью и в специальных холодильниках, являющихся про- должением печи непрерывного действия (конвейерных термических установках). При присоединении электродных выводов с нагревом 140 электрическим током импульс тока пропускается непосредственно через соединяемые детали или используется дополнительный кон- такт, место пайки (электродный вывод и контактная площадка) так- же нагревается спиралью, через которую пропускают импульс тока. Пайка электродных выводов выполняется также специальным паяль- ником с миниатюрным наконечником. Рис. 5.22. Кассета с загруженной арматурой для пайки в печи: 1 – держатель; 2 – втулка кассеты; 3 – грузы; 4 – вывод; 5 – кассета; 6 – припаянные шайбы Для обеспечения хорошего смачивания при пайке в водороде на паяемые поверхности наносятся покрытия из Ni, Au, Cu, и других металлов или припой на одну или обе паяемые поверхности. Пайку под давлением круглых и плоских выводов или перемычек к кон- тактным площадкам ИМС и других деталей можно осуществлять паяльником групповым методом на установках ЭМ-439. При этом для обеспечения флюсовой пайки на паяемые поверхности плат мик- росхем и выводов наносят легкоплавкие припои (ПОС-61, ПОИ-50). Одна из соединяемых поверхностей может быть покрыта золотом. Недостатком данного способа пайки является то, что в процессе от- вода инструмента (паяльника) от места пайки или снятия паяемого изделия с нагревательного столика установки могут сместиться вы- воды относительно контактных площадок плат микросхем. Широкое распространение получил способ пайки давлением с импульсным на- гревом места пайки. При этом методе смещения выводов относитель- но контактных площадок не происходит из-за практически мгновен- ной кристаллизации паяного шва соединения благодаря небольшой длительности импульсного нагрева (не более 1–3 с) и локальному ра- 141 зогреву места пайки. Бесфлюсовая пайка под давлением импульсным нагревом осуществляется с помощью V-образного инструмента на установках односторонней контактной сварки. В табл. 5.1 приведены типы припоев, используемых при пайке проволочного монтажа гиб- ридных микросхем и выводов полупроводниковых приборов. Таблица 5.1 Некоторые типы припоев, используемые при присоединении выводов полупроводниковых приборов и микросхем пайкой Марка Температура плавления Содержание компонентов, % Примеси мас., % не более Начало Конец ПОИ-50 ПСРЗИ ПСРОС-58 ПОС-61 ПОВи-0,5 ПОИН-5 ПСр-2,5 117 141 180 183 224 220 245 117 141 190 190 232 285 300 49–51 Sn, ост. Zn 2,5–3,5 AG, ост. Zn 57,81 Sn, 30,4 Ag, Fe, Bi 59–67 Sn, ост. Pb 0,4–0,6 Bi, ост. Sn 4–6 Zn, ост. Sn 2,50,3 Ag, 5,50,5 Sn, Fe 0,2 0,2 0,3 0,25 0,15 При пайке электродных выводов наблюдается ряд дефектов: сме- щение вывода относительно контактной площадки кристалла (платы), непропай (недостаточное растекание припоя и заполнение им зазоров), образование трещин в кристаллах и закороток различных областей p–n-переходов или соединений контактных площадок (токопрово- дящих дорожек). Это недостаток метода. 5.10. Проволока для электродных выводов Наиболее слабым звеном в полупроводниковых приборах (в СВЧ- транзисторах) являются электродные выводы, изготавливаемые из металлической проволоки диаметром от 8–10 мкм до 50–60 мм. Элект- родные выводы должны обладать высокой прочностью на растяже- ние и сжатие при испытаниях полупроводниковых приборов на кли- матические и механические воздействия в эксплуатации, хорошо де- формироваться при присоединении к контактным площадкам, а также иметь высокую электропроводность. Такими свойствами обладает проволока из золота, сплава Ag–Au и алюминия. Проволока, получае- мая протягиванием (волочением) через волоки, должна иметь чистую, 142 без посторонних включений, трещин, раковин, расслоений и вмятин поверхность. Допускаются незначительные дефекты в виде рисок и уколов. Особой сложностью изготовления отличается золотая про- волока диаметром 8–15 мкм, получаемая волочением в медной обо- лочке, при стравливании которой обнаруживаются скрытые дефекты, вызывающих ее неоднородность по химическому составу. Для повы- шения надежности полупроводниковых приборов разработана и изго- товляется литьем проволока из сплава Ag-Au (МлСрЗл 850). Литая проволока, полученная непосредственно из жидкой фазы, имеет не- значительные структурные дефекты. Изготовление золотой проволоки диаметром от 20 мкм и более осуществляется по отработанной техно- логии. До диаметра 200 мкм такая проволока поставляется только твердой и диаметром более 200 мкм – твердой или мягкой. Механиче- ские свойства проволоки из Ag, Au и их сплавов приведены в табл. 5.2. Таблица 5.2 Механические свойства проволоки из Ag, Au и их сплавов Марка Временное сопротивление проволоки разрыву Относительное удлинение мягкой проволоки, % твердой мягкой 3Л 999,9 3Л СрМ 583-80 Ср 999,9; Ср 999 СрМ 960 СрМ 925 СрМ 916 СрМ 875 СрП 12 СрП 20 196 7320 255 392 343 343 343 392 392 117 440 157 245 245 245 245 196 245 10 35 27 25 20 20 20 18 30 Алюминиевую проволоку для электродных выводов диаметром от 15 до 70 мкм твердую АТ, полутвердую АПТ и мягкую АМ получа- ют волочением через алмазные волоки со смазкой 1–2%-м раствором мыльной эмульсии. Временное сопротивление разрыву проволоки АТ, АПТ, АМ всех диаметров должно быть не менее 96,98–225,73 Н/мм2, а удельное электрическое сопротивление 0,028 Оммм2/м. Кроме алюминиевой проволоки в производстве полупроводни- ковых приборов применяют алюминиевую плющенку, которую из- готовляют из проволоки. Из проволоки диаметром 140 мкм полу- чают плющенку толщиной 30 и шириной около 250 мкм. 143 5.11. Методы микромонтажа кристаллов БИС 5.11.1. Ультразвуковая микросварка и микромонтаж кристаллов на ленточных носителях Как известно, автоматизированную сборку многих типоконструк- ций плоских корпусов микросхем средней степени интеграции и БИС с высокой производительностью выполняют на ленточных носите- лях – рамках, имеющих перфорацию и траверсы для соединения с кристаллом. Переход на медные рамки с локальным покрытием серебром, имеющие большую теплопроводность и технологичность, требует снижения температуры разварки межсоединений и повы- шения их качества. Разварка в типовом режиме ТКС при температурах 300–330 °С на установках ЭМ-4060, ЭМ-4060П приводит к окислению медной рамки и ухудшению качества серебряного покрытия. Окисление рам- ки снижает воспроизводимость последующих технологических опе- раций, в частности герметизации методом литьевого прессования (повышенное облоеобразование); а также ухудшает качество зачист- ки рамок от облоя; увеличивает трудоемкость, снижает качество кор- пуса при гидроабразивной зачистке, создает необходимость удаления оксидов с поверхности рамки перед лужением и, следовательно, за- трудняет создание качественного гальванического покрытия спла- вом олово-висмут (или горячего лужения). Хотя в микромонтажном автомате ЭМ-4060П предусмотрен режим ТЗС, реальная конструкция генератора и преобразователя не позволяет добиться хорошего качества разварки в режиме термозвука при срав- нительно низких температурах (200–240 °С), который в полной мере обеспечен на установках разварки модели 1484 фирмы Kulicke and Sofa (США). Для повышения качества сварки был доработан авто- мат ЭМ-4060П в части усовершенствования УЗ-генератора, преоб- разователя и блока формирования шарика (БФШ). Это дало возмож- ность снизить температуру разварки при наложении УЗ-колебаний до 230–250 °С. Однако в процессе отработки режима ТЗС в условиях производства отмечено, что существующие конструкции столика и прижима не обеспечивают надежное, жесткое закрепление выводов рамки, что является необходимым условием ТЗ- и УЗ-сварки. 144 В процессе соединения проволочных выводов с контактными пло- щадками кристалла методом ТЗС встык шариком для обеспечения ка- чественного сцепления материала проволочного вывода с материалом контактных площадок при наложении температуры, давления и ульт- развуковых колебаний шарик деформируют, создавая таким образом требуемую площадь сцепления. Степень деформации шарика, а именно его остаточная толщина («высота» сварного соединения) после образо- вания сварного соединения на кристалле, является одним из критериев оценки качества проведения сборочных операций таких микросхем. При квалификационной аттестации процессов сборки микросхем проводится оценка уровня состояния технологического процесса мик- росварки как по величине прочности микросварных соединений на разрыв и на сдвиг, так и по величине остаточной «толщины шарика» на кристалле, которая по техническим требованиям этих фирм должна составлять 10–30 мкм (для проволоки диаметром 25 мкм при ТЗС). Степень обжатия при формировании микросварного соединения ,D HK D  где D – диаметр проволоки (шарика) в исходном состоянии; Н – высота микросварного соединения после обжатия. Схема контроля геометрических размеров при формировании мик- росварного соединения приведена на рис. 5.23. Рис. 5.23. Схема контроля геометрических размеров в зоне микромонтажа кристаллов: А, В, С, D, Н – характеристические размеры 145 Результаты контроля геометрических параметров соединений мик- ропроволоки и контактных площадок приведены в табл. 5.3. Таблица 5.3 Геометрические размеры сварных точек, мкм Сварка А, мкм В, мкм Н, мкм С, мкм K, % Термозвуковая Ультразвуковая 58–65 58–65 85–88 75–85 6–9 7–9 ~ 25 30–32 78 77 В промышленности Беларуси освоены технологии разварки вы- водов из микропроволоки по 14-выводной медной рамке с серебря- ным покрытием толщиной 3–5 мкм на различных типах отечествен- ных и импортных установок. Сравнительные данные по механической прочности формируемых микромонтажных соединений на разрыв при различных режимах раз- варки медных рамок с серебряным покрытием и данные по прочно- сти сварных соединений (шариков на кристалле) на сдвиг, выпол- ненные проволокой 25 мкм фирмы Herraus, имеющую собственную прочность 11,5 сН, приведены в табл. 5.4. Таблица 5.4 Прочность микросварных соединений Тип установки, год выпуска Режим разварки; температура столика, °С; давление, сН Прочность микромонтажных соединений на разрыв (Fmin – Fmax) / Fср, сН Прочность сварного соеди- нения (шарика) на сдвиг (Fmin – Fmax) / Fср, сН Усилие сжатия, Н 1 2 3 4 5 ЭМ-4060, ЭМ-4060П, 1992 Термокомпрессия; 300–330; 1св – 36 2св – 90 (4 – 8) / 5,6 (20 – 32) / 23,7 Прижимом 10–15, сто- лик с пье- десталом под тра- версы 146 Окончание табл. 5.4 1 2 3 4 5 ЭМ-4060П с доработ- кой БФШ, 1994 Термозвуковая; 240–260; 1св – 30 2св – 95 (4,5 – 8) / 6 (22 – 32) / 27,2 Прижимом 10–15, сто- лик без пье- дестала под траверсы Kulicke and Sofa, 1984 Термозвуковая; 215–240; 1св – 28 2св – 60 (5 – 8) / 6,6 (28 – 35) / 31,7 Анализ приведенных данных показывает, что внедрение процес- са с оптимальными режимами ТЗС, кроме снижения степени окис- ления рамки, позволяет увеличить механическую прочность микро- монтажных соединений на разрыв и прочность сварного соединения на сдвиг. Изменение их конструкции с целью исключения образо- вания пьедестала под выводы рамки на столике и использование в производстве прижимающего выступа на прижиме способствова- ли более равномерному обжатию выводов рамки и высокому каче- ству ТЗС при температуре 230–250 °С. УЗ-микросварку алюминиевых проволочных выводов марки А999К0.9 толщиной 35 мкм можно выполнять на полуавтомате ЭМ-4020 при мощности колебаний 0,15 Вт, времени сварки 0,1 с, давлении на сварочный капилляр 20 сН и фиксацией усилия с точ- ностью ±1,5 %. Прочность сварных соединений Рср определялась как среднее арифметическое значение ряда распределения, включаю- щего 100 замеров: ср 1 1 , l l i i i i i P Pn n      (5.1) где Рi – среднее значение прочности в интервале; п – количество значений в интервале; l – количество интервалов. При термокомпрессионной микросварке на автоматах типа ЭМ-4060, ЭМ-4060П добиться столь высокой степени деформации микросвар- ного соединения, как на автомате разварки 1484, не удается. Это обус- ловлено, с одной стороны, трудностью обеспечения условий для 147 проведения с высокой воспроизводимостью процесса формирования шарика с минимальным диаметром, а «раздавить» шарик большого диаметра (около 90 мкм) до остаточной толщины 30 мкм практиче- ски невозможно, и, с другой стороны – тем, что при ТКС регулиро- вать степень деформации шарика можно только давлением, в отличие от ТЗС, где дополнительно накладываются УЗ-колебания (табл. 5.5). Таблица 5.5 Деформация микросварного соединения Тип установки Вид микро- сварки; температура, °С; давление, Па Диаметр сформи- ванного шарика, мм Диаметр сварного соединения после раз- варки, мм Высота сварного соединения, мм Степень обжатия K 1484 ТЗС; 205; 235 60–63 93–97 93–96 26 24,5–25 0,58 0,60 ЭМ-4060П с доработ- кой БФШ ТКС; 300; 43–45 340; 40–45 320; 60–65 65–70 97 90 90 35–36 31–32 26–27 0,48 0,54 0,61 ЭМ-4060 ТКС; 320; 25–35 65–90 97 90 44–45 32–33 0,43 0,58 При ТЗС совместное действие температуры, энергии УЗ-колеба- ний и усилия нагружения рабочего инструмента обеспечивает опти- мальную степень обжатия. Анализ влияния температуры столика при ТКС показал также, что, как и в случае ТКС, степень деформа- ции сварного соединения практически не зависит от температуры сварки в диапазоне, обеспечивающем образование качественных мик- росварных соединений (300–340 °С). Важной технологической операцией является оценка прочности микросварных соединений, полученных термокомпрессионной и тер- мозвуковой сваркой золотой проволокой после термоциклических воздействий. Для определения устойчивости микросварных соеди- нений к термоциклам медные рамки с кристаллами и разваркой кристаллов золотой проволокой диаметром 25 мкм методами ТКС и ТЗС подвергаются испытаниям в диапазоне температур от –60 до +150 °С (по 10 мин при каждой температуре). Прочность микромон- 148 тажных соединений на разрыв и «прочность шарика» (на кристалле) на сдвиг непосредственно после разварки и проведения 10 и 30 цик- лов воздействия приведены в табл. 5.6. Таблица 5.6 Прочность соединения после термоциклических воздействий Вид микросварки Прочность микромон- тажных соединений на разрыв, сН «Прочность шарика» на сдвиг, сН Термокомпрессионная Термозвуковая 5,4 6,6 5,45 6,55 4,9 6,5 24,6 29,9 24,2 30,7 20,5 29,9 Исследования показывают, что до 10 циклических воздействий температур практически не оказывают влияния на прочность мик- росварных соединений золотой проволокой, полученных при ТКС и ТЗС. После испытаний в течение более 10 циклов отмечено сни- жение прочности сварных соединений на разрыв на 12 %, получен- ных термокомпрессионной сваркой. При этом снижается «прочность шарика» на сдвиг на 17 %, увеличивается разброс по величине проч- ности сцепления сварного соединения золото-алюминий контактной площадки кристалла, полученного методом ТКС. После 30 термо- циклов отмечено некоторое снижение прочности микромонтажных соединений на разрыв, полученных ТКС. При этом также снижается «прочность шарика» на сдвиг, увеличивается разброс величины проч- ности сцепления микросварного соединения золота с алюминиевой контактной площадкой кристалла. ТЗС, как показывает результат проведенных исследований, более устойчива к термоциклическим воздействиям и после проведения термоциклов; изменений как прочности сцепления шарика с контакт- ной площадкой кристалла (шарик на сдвиг), так и прочности микро- монтажных соединений на разрыв практически не происходит. Одним из критериев оценки качества проведения микромонтажных операций является оценка дефектности монокристалла под контакт- ными площадками. Для этого образцы после проведения микросварки подвергались травлению в растворе ортофосфорной кислоты для уда- ления металлизации (пленки на основе алюминия) на контактных 149 площадках. После стравливания металлизации производится оценка внешнего вида кристаллов (зон контактных площадок) под биноку- лярным оптическим микроскопом при 80–200-кратном увеличении. После стравливания металлизации с контактных площадок крис- таллов, которые прошли цикл операции ТКС золотой проволокой диа- метром 25 мкм при температуре 340–345 °С и давлении 60–65 сН, на контактных площадках выявлены нарушения структуры кремния («выколы»), что указывает на неоптимальный режим формирования микромонтажных соединений. На кристаллах, прошедших режим ТЗС (Т = 240 °С), дефектов структуры кремния в зонах контактных площадок не выявлено. Таким образом, анализ дефектности монокристаллического крем- ния в зонах контактных площадок показывает, что установленные в результате проведенных экспериментальных исследований режимы термозвуковой сварки являются предпочтительными, так как вероят- ность обнаружения нарушений структуры кремния под контактными площадками кристаллов меньше, а степень обжатия достигает 60 %. 150 6. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИС 6.1. Общие сведения Надежность полупроводниковых приборов и ИМС при работе в аппаратуре и хранении существенно зависит от герметичности корпуса. Под герметичностью понимают способность замкнутой конструкции не пропускать через свои элементы жидкость или газ. Герметичность характеризуется допустимой утечкой (течью) в еди- ницах потока жидкости или газа. Этот поток жидкости или газа че- рез микроотверстия выражают в единицах объема при определен- ном давлении, отнесенных к определенному времени. В вакуумной технике поток измеряют в литрах, умноженных на микрометры ртутного столба в секунду л мкм рт. ст.с     , а в системе СИ – в ку- бических метрах, умноженных на паскаль в секунду 3м Па с      ; 3 4л мкм рт. ст. м Па1 1,32 10с с    . Корпуса полупроводниковых при- боров считаются герметичными при натекании гелия не более 5 л мкм рт. ст.10 с   . Герметизация – одна из завершающих операций технологического процесса производства полупроводниковых приборов, так как обеспе- чивает их долголетнюю работу при механических и климатических воздействиях. Она является последней операцией сборки полупровод- никовых приборов, от качества которой зависит выход годных изде- лий. Под герметизацией прибора или микросхемы понимают комплекс мер по обеспечению работоспособности изделий при их изготовлении, хранении и последующей длительной эксплуатации. Для этой цели используется широкая номенклатура материалов и различные способы герметизации, реализованы разные конструктивные решения. Все герметизирующие изделия делятся на две группы: полые кон- струкции, в которых рабочая поверхность изделия не контактирует непосредственно с герметизирующим материалом, и конструкции 151 без внутренних газовых полостей, в которых герметизирующий ма- териал контактирует с рабочей поверхностью изделия (монолитные конструкции). К первой группе относят металлостеклянные, метал- локерамические, пластмассовые и другие корпуса, ко второй – бес- корпусные изделия и монолитные пластмассовые корпуса. При гер- метизации различают внешнюю и окружающую среды. Среду, в ко- торой хранят и эксплуатируют приборы и микросхемы, называют внешней, а среду, ограниченную поверхностью герметизирующей конструкцией (среда внутри корпуса), – окружающей. Окружающая среда может быть газообразной, жидкой или в виде твердого по- крытия. Особенностями герметизации в полых корпусах с воздуш- ной или другой газовой средой являются отсутствие воздействия на герметизируемые изделия механических напряжений, возможность расположения внутри корпусов геттеров для регулирования состава газовой среды и влажности, а также возможность заполнения или необходимости внутреннего объема инертных газов. Однако герме- тизация изделий в полых корпусах не обеспечивает требуемую ме- ханическую прочность элементов конструкции изделия. Для этого изделия предварительно покрывают эластичным материалом для механического крепления и электрической изоляции проводников друг от друга и от металлической крышки корпуса. Наиболее надежны корпуса и покрытия на основе неорганических материалов; используется герметизация изделий, помещенных в ме- таллостеклянные или металлокерамические корпуса. Такие корпуса могут иметь самую различную форму и любое число выводов в зави- симости от типа герметизируемого изделия. Существует большое количество способов корпусной герметизации полупроводниковых приборов и ИМС. В зависимости от типа корпуса и предъявляемых требований герметизация может осуществляться пайкой, холодной сваркой, электроконтактной сваркой, сваркой, плавлением. В полу- проводниковой промышленности наиболее распространены способы герметизации холодной, электроконтактной сваркой и пайкой. К конструкциям без внутренних газовых полостей относятся мо- нолитные пластмассовые корпуса. При такой герметизации химиче- ские реакции отверждения и образования адгезийных связей, проте- кающих в покрытиях и материале корпуса, а также усадки и внут- ренние механические напряжения, связанные с ними, могут оказы- вать влияние на параметры изделия. Поэтому предъявляются повы- 152 шенные требования к химической чистоте и термостойкости герме- тизирующих материалов. Для нанесения герметизирующих матери- алов непосредственно на поверхность изделий применяют различ- ные способы. Однако независимо от типа используемых материалов и способа герметизации надежность работы изделий зависит от ряда общих факторов: обеспечения механической целостности коммути- рующих проводников и соединений, чувствительных к механиче- ским воздействиям элементов; отсутствия повреждений элементов и узлов герметизированных изделий при кратковременном измене- нии факторов внешней среды (нагрев, охлаждение, резкое изменение температуры); выбора влагостойких материалов; высокой химиче- ской чистоты и нагревостойкости материалов. Органические поли- мерные материалы, используемые для герметизации, являются вла- гонепроницаемыми и менее нагревостойкими по сравнению с неор- ганическими материалами. Они могут выделять летучие продукты, не обеспечивать требований по химической чистоте. Однако кон- струкции на их основе более экономичны и практически незамени- мы при герметизации изделий массового производства. Такие способы герметизации корпусов полупроводниковых при- боров и ИМС, как заливка пластмассой, склеивание специальными клеями, стеклоцементами, глазурями и лаками, заварка стеклом, а также различные виды сварки и пайки находят широкое примене- ние в полупроводниковой технологии. Приборы в пластмассовой оболочке характеризуются низкой стоимостью, хорошим внешним видом, групповой технологией производства. Некоторые полупро- водниковые приборы герметизируют клеями, приклеивая керамиче- скую крышку к металлокерамической ножке. Такая герметизация способствует получению высокого выхода герметичных приборов, не требует дорогостоящего оборудования, но процессы нанесения и отверждения клея достаточно длительны. Герметизация стекло- цементами, глазурями, лаками и стеклом имеет ограниченное при- менение. Рассмотрим более подробно основные виды герметизации полупроводниковых приборов и ИМС. 6.2. Герметизация холодной сваркой Для получения неразъемных соединений широко используется холодная сварка. Отличаясь простотой и доступностью, она позво- 153 ляет осуществлять прочные и надежные соединения. Этот способ применяется в основном для герметизации металлостеклянных кор- пусов транзисторов и диодов средней и большой мощности, выпол- няемых из металлов с высокой тепло- и электропроводностью. До- стоинством способа герметизации холодной сваркой является отсут- ствие нагрева при герметизации и сопровождающего его явления – выделения газов внутри объема. В полупроводниковом производ- стве для герметизации корпусов применяют чаще холодную сварку, которая образует нахлесточное соединение – точечную холодную сварку по замкнутому контуру (периметру) силами Р, направлен- ными перпендикулярно свариваемой поверхности и реже – холод- ную сварку сдвигом или продавливанием при одновременном дей- ствий нормальных и тангенциальных усилий. Сварка по замкнутому контуру может быть с одно- и двухсторонним деформированием. Сварку с односторонним деформированием применяют для свари- вания деталей из разнородных металлов, так как устраняется опас- ность образования сильно подрезанного участка шва наружной сто- роны более мягкой детали. Сварку с двухсторонним деформирова- нием используют для соединения однородных металлов. Недостат- ком ее является необходимость точной фиксации выступов пуансона и матрицы. Смещение выступов при сварке разнородных металлов вызывает подрезание более мягкого из них. Режим холодной сварки по замкнутому контуру определяется степенью интенсивной деформации:  н б н б 100 %, S S h K S S    где Sн – толщина буртика ножки; Sб – толщина буртика баллона; h – толщина шва. Деформация должна быть не ниже заданного значения, характер- ного для данного металла. Усилие для создания такой деформации зависит от многих факторов и может меняться в широких пределах. Значения относительной деформации при холодной сварке различ- ных однородных и разнородных металлов толщиной до 1 мкм при- ведены в табл. 6.1. 154 Таблица 6.1 Значения относительной деформации и необходимые удельные давления для холодной сварки некоторых металлов Свариваемые металлы Относительная дефор-мация, % Удельное давление, 109 Па/м2 Алюминий + алюминий 60 0,17–0,5 Медь + медь 80 1,5–1,8 Алюминий + медь 62 0,5–1,0 Медь + низкоуглеродистая сталь 80 2,0–2,5 Медь + ковар 80 2,0–2,5 В промышленных условиях для материалов, применяемых в кор- пусах полупроводниковых приборов, холодная сварка осуществле- на правильно, если величина относительной деформации находится в интервале 75–85 %. При заданном значении относительной дефор- мации можно определить толщину сварного шва: h = (Sн + Sߜ)(1 – K / 100). Усилие сжатия при холодной сварке Q = nPF, где n – коэффици- ент учитывающий склонность материала к упрочнению (обычно n = 1,5–2,0); P – удельное давление; F – площадь проекции поверх- ности рабочей части пуансона. При сварке однородных металлов удельное давление (при усло- вии, что ширина рабочей части пуансонов вдвое превышает необхо- димую толщину свариваемого металла) определяется из зависимо- сти: P = Gт(1,5 + 100 / (100 – K)), где Gт – предел текучести металла. Необходимые удельные давления для холодной сварки по замк- нутому контуру некоторых металлов приведены в табл. 6.1. Давле- ние обычно в 5–8 раз превышает предел прочности свариваемых металлов при растяжении. При одно- и двусторонней сварках тол- щину S буртиков выбирать одинаковой. Разная толщина буртиков допускается при отношении их толщин до 1 : 4. Детали корпусов полупроводниковых приборов изготавливаются из материалов, со- четания которых приведены в табл. 6.2 155 Таблица 6.2 Сочетания материалов для изготовления деталей полупроводниковых приборов Материал держателя ножки Материал баллона, колпака Медь МБ Медь МБ, МБ1, МБ2, МБ3, или ковар 29НК, или сталь 10 Ковар 29НК Медь МБ или медь М1 Медь М1 Сплав 47 НД Сплав 47 НД Медь МБ или М1, М2, М3 Особенностью способа герметизации холодной сваркой является значительная деформация около шовной зоны с сильным искажени- ем формы детали. Деформация может передаваться в другие части детали и достичь зон металлостеклянных и металлокерамических спаев и мест крепления полупроводниковых кристаллов. Это может вызвать разрушение спаев, ухудшение контакта полупроводниково- го кристалла с держателем, растрескивание полупроводникового ма- териала с изменением электрических параметров приборов. Дефор- мация свариваемых деталей, как показано на рис. 6.1, при холодной сварке вызывает увеличение наружного диаметра прибора D1, умень- шение диаметра верхней детали баллона D2 в около шовной зоне, увеличение высоты баллона H. Чтобы избежать деформацию корпу- са, применяют конструкцию фланцев, держателей и баллонов с раз- грузочными элементами, способные в результате деформации сни- зить механические деформации до безопасных значений. Рис. 6.1. Деформация деталей корпуса при холодной сварке 156 Конструктивные решения компенсации напряжений во фланцах ножек различных типов полупроводниковых приборов показаны на рис. 6.2. Рис. 6.2. Компенсация напряжений во фланцах ножек кольцевыми разгрузочными канавками: а – получаемый резанием; б и д – широкой мелкой с отбортованным краем; в – узкой мелкой; г – широкой глубокой; 1 – баллон; 2 – кристалл; 3 и 7 – плоскости монтажа кристалла и изоляторов; 4 – разгрузочная канавка; 5 – фланец; 6 – изолятор Фланцы из безкислородной меди с кольцевой разгрузочной канав- кой (рис. 6.2, а) применялись в корпусах мощных полупроводнико- вых приборов. Разгрузочная канавка 4 изготавливается резанием, а металлостеклянные изоляторы 6, состоящие из коваровых втулок и коваровых выводов, соединяемых между собой стеклом, впаивают- ся в медный фланец 5 твердым (высокотемпературным) припоем. Полупроводниковый кристалл 2 непосредственно напаивается на по- верхность 3 фланца или на молибденовый компенсатор, который предварительно смонтирован на нем. Недостатком таких корпусов является высокая стоимость из-за невозможности полностью сделать фланец штампованным. При герметизации баллона 1 с ножкой хо- лодной сваркой металлостеклянный спай и кристалл не разрушаются. Фланец ножки, показанный на рис. 6.2, б, отличается от предыду- щего тем, что в нем разгрузочная канавка 4 шире, мельче и имеет от- а б в г 157 бортованный край, а плоскость 3 монтажа кристалла поднята над ме- стом холодной сварки ножки с баллоном. Механические напряжения гасятся деформацией сварочного буртика и частично фланцем, кото- рый может изготавливаться штамповкой. Во фланце ножки, показан- ном на рис. 6.2, в, плоскость 3 монтажа кристалла находится ниже ме- ста выполнения холодной сварки и имеется узкая мелкая разгрузочная канавка 4. Оптимальный подбор размеров канавки и глубины опуска- ния плоскости монтажа кристалла позволяет компенсировать напря- жения холодной сварки, изготовлять фланец штамповкой и при доста- точной его толщине впаивать металлостеклянные выводы, рассчитан- ные на большие токи. Здесь затруднена очистка (отмывка) канавки. Фланец ножки, показанный на рис. 6.2, г, имеет широкую глубо- кую разгрузочную канавку, в которую монтируются металлостеклян- ные изоляторы и поднятый над ней столик 8, что улучшает условия монтажа кристалла; значительный объем металла столика способ- ствует увеличению теплоотвода. При малых размерах фланцев ножек их очистка (отмывка) затруднена. При такой конструкции целост- ность выводов и кристаллов при холодной сварке сохраняется. Фланец ножки, показанный на рис. 6.2, д, применяемый в мало- мощных полупроводниковых приборах, имеет широкую мелкую с от- бортованным краем разгрузочную канавку. Плоскости монтажа крис- талла и металлостеклянных изоляторов находятся на одном уровне с местом соединения ножки с баллоном. Такие фланцы ножек изго- тавливают штамповкой из ковара. Деформации, возникающие при герметизации холодной сваркой, компенсируются буртиком. Для получения надежного холодного сварного соединения необхо- димо тщательно готовить свариваемые поверхности. Одним из спосо- бов такой подготовки является нанесение на ножки с коваровыми фланцами и медные баллоны химическим или гальваническим мето- дом пленок никеля. При герметизации корпусов для получения хоро- ших результатов предварительно химически наносится слой никеля толщиной 3–6 мкм, который вжигается при 400 С в атмосфере во- дорода в течение 45 мин. Термообработка увеличивает микротвер- дость покрытия и его адгезию к основе, стабилизируя процесс гер- метизации. Также выполняется матовое гальваническое никелирова- ние, не требующее термообработки. Оптимальным считается слой никеля при отношении его толщины к толщине основного металла, 158 равном 0,01–0,02. Баллоны из стали 10 после отжига также никелиру- ют. Для получения требуемой прочности холодносварного соединения коваровые детали при чистых их поверхностях не никелируют. Хо- лодная сварка одно- и двухсторонняя показана на рис. 6.3. а б Рис. 6.3. Схемы холодной сварки: а – односторонней; б – двухсторонней; 1 – баллон; 2 и 3 – нижний и верхний пуансоны; 4 – фланец ножки При односторонней холодной сварке (рис. 6.3, а) деформируется в основном только одна из свариваемых по контуру деталей. При двухсторонней сварке (рис. 6.3, б) деформируются обе свариваемые по контуру детали. В холодносвариваемом шве различают внутреннюю и две периферийные зоны. Прочность соединения при испытании на отрыв образцов алюминия, сваренных при углублении пуансонов до 70 % толщины металла, зависит от прочности внутренней зоны. По мере увеличения глубины деформации прочность соединения все больше зависит от прочности периферийной зоны. При углублении пуансона в металл на 90 % его толщины на тех же образцах с высвер- ленной внутренней зоной прочность составляет 97–100 % от прочно- сти целых образцов, т. е. определяется только прочностью периферий- ной зоны. В полупроводниковом производстве для герметизации кор- пусов используют несколько разновидностей холодной сварки. При герметизации корпусов чеканкой (рис. 6.4, а) необходимо, чтобы фланец 2 ножки был изготовлен из твердого материала (ста- ли) и имел канавку требуемых размеров и формы, а баллон 1 из пластического материала (Cu, Al). Выполняют такую сварку пуан- соном с подобранным углом скоса, которым зачеканивают нижний ободок баллона в канавку фланца ножки. 159 Рис. 6.4. Холодная сварка: а – чеканкой; б и в – вдавливанием без уплотнительной прокладки и с нею; г – обжимом; д – продавливанием крышки; 1 – баллон; 2 – фланец ножки; 3 – прокладка; 4 – крышка При герметизации корпусов вдавливанием (рис. 6.4, б) фланцы ножек выполняют из пластичных металлов, а баллон – из твердых. Для вдавливания баллона во фланец служит специальный пуансон, который, надрезая металл по периметру канавки фланца, герметич- но уплотняется с ранее помещенным в канавки баллоном. Возмож- на герметизация вдавливанием с использованием прокладки 3 из пластичного металла (свинца), предварительно укладываемой в ка- навку фланца по ее периметру (рис. 6.4, в). Герметизацию корпусов обжимом (рис. 6.4, г) применяют, если фланец изготовлен из пла- стичного металла, а баллон – из твердого. Баллон помещают в спе- циальную канавку фланца и пуансоном со скошенным внутренним краем металл фланца сдвигают к баллону, плотно охватывая его. Кроме того, корпуса герметизируют продавливанием крышки 4 во фланец 2 (рис. 6.4, д). Для этого крышку изготавливают чуть боль- ше фланца по диаметру, а затем с натягом вводят во фланец. 6.3. Герметизация корпусов контактной сваркой Контактная (электроконтактная) сварка широко применяется для герметизации полупроводниковых приборов и микросхем в метал- лостеклянных корпусах круглой и прямоугольной формы со штырь- ковыми выводами (рис. 6.5), а также СВЧ-приборов в керамических корпусах. Основными ее видами являются контактная сварка по контуру и шовная (роликовая). Контактная сварка представляет процесс полу- чения неразъемного соединения материалов нагревом свариваемых кромок до пластического или расплавленного состояния с последую- а б в г д 160 щим их сжатием (осадкой). Нагрев свариваемых деталей производится в результате выделяемой теплоты при прохождении через них элект- рического тока. Схема процесса герметизации показана на рис. 6.6. Рис. 6.5. Конструкция элементов корпусов, герметизируемых контактной сваркой: а – с узким сварным полем; б – с рельефом Рис. 6.6. Схема процесса герметизации точечной контактной сваркой: 1 – герметизируемый корпус; 2 – электроды; 3 – электрическая цепь сварочной машины; 4 – батарея конденсаторов; 5 – выпрямитель Процесс сварки состоит из сжатия свариваемых деталей корпуса, включения (замыкания) и выключения сварочного тока, а также сня- тия усилия сжатия. Основными элементами установки контактной сварки являются выпрямитель 5, который служит для преобразова- ния переменного тока в постоянный, батарея 4 конденсаторов для накопления электроэнергии и переключатель для последовательно- го соединения батареи конденсаторов с источником питания и сва- а б 161 рочным трансформатором – для получения в сварочной цепи боль- ших токов при низком напряжении. Нагрев металла происходит при замыкании сварочной цепи. Для быстрого нагрева свариваемых кро- мок применяют большие токи, достигающие десятков тысяч ампер. Электрическое сопротивление прохождению тока в месте контакта свариваемых деталей велико и этот участок быстро нагревается. Пре- имущественное тепловыделение в зоне контакта сохраняется, и между деталями корпуса появляется расплавленное ядро, которое растет в объеме, перемещается и выравнивается по составу электромагнит- ным полем, создаваемым сварочным током. При использовании боль- ших токов сварку выполняют за десятые и сотые доли секунды. Гер- метизация полупроводниковых изделий контактной сваркой – вы- сокопроизводительный процесс, поддающийся механизации и авто- матизации. Режим контактной сварки ножки корпуса с баллоном характеризуется основными параметрами – током и временем его прохождения, силой сжатия и временем ее действия. Ток, проходящий через свариваемые детали:   1 2 ,nI N U K CUk   где N – мощность разряда; С – емкость конденсаторов, равная от 800 до 1200 мкФ на 1 мм периметра свариваемого корпуса; n – КПД процесса для точечной контактной сварки на конден- саторной машине (n ≈ 0,65); U – напряжение зарядки. Мощность разряда источника питания, обеспечивающая задан- ную глубину проплавления, составляет от 50 до 150 кВт. Напряже- ние зарядки аккумуляторной батареи  122 ,U A C где 2 2A CU – энергия, накапливаемая в конденсаторной батарее p ;nA Nt  С – емкость конденсаторов; tр – время разряда. 162 Для определения тепловых режимов используется параметр – плотность тока, проходящего через контакт:  p к2 ,n nI CUk t S  где Sк – площадь контакта свариваемых деталей. Усилие сжатия свариваемых элементов определяется по формуле к ,Q PKS где Р – удельная нагрузка (12–18 кг/мм2); K – коэффициент пропорциональности. Учитывая, что плотность сварочного тока должна быть большой, площади контакта уменьшают, создавая свариваемую поверхность определенного вида (рис. 6.7) или придавая отбортовке деталей спе- циальную наклонную конфигурацию. Рис. 6.7. Виды рельефа свариваемых поверхностей корпусов: а, б – полый; в, г – сплошной При этом сварка осуществляется в месте контакта острой кромки отбортовки одной из деталей с плоской поверхностью отбортовки другой детали, что значительно повышает качество и стабильность контактной сварки. Контактная сварка по контуру на конденсатор- ных машинах по тепловому воздействию относится к разряду низко- температурных. Длительность сварочного импульса при контактной сварке мала (20–80 мс), выделяемая теплота не успевает распростра- няться вглубь тела корпуса, а отводится в электроды, выполняемые из сплавов меди с высокой теплопроводностью. К достоинствам гер- метизации контактной сваркой по контуру относятся: точная дози- ровка энергии; хорошая воспроизводимость процесса; слабый общий нагрев свариваемых изделий, что особенно важно при гермитизации корпусов полупроводниковых приборов и ИМС, для которых общий нагрев корпуса не допускается выше рабочей температуры прибора. Качественная герметизация достигается правильно выбранным ре- а б в г 163 жимом и строгим соблюдением технологического процесса. Необхо- димый режим сварки подбирается регулированием емкости конден- саторов, коэффициента трансформации сварочного трансформатора и усилия сжатия электродов. Суммарная толщина отбортовки корпу- сов без рельефа должна быть от 0,4 до 0,8 мм. Правильный выбор материала электродов и оптимальной площа- ди электродного контакта также важны для качества сварного со- единения. Для гермитизации корпусов контактной сваркой по кон- туру в отечественной промышленности используется несколько мо- делей одно- и многопозиционных сварочных машин (см. табл. 6.3). Таблица 6.3 Технические характеристики установок для герметизации корпусов контактной сваркой по контуру Параметры Значение параметра для установки МТК-53 МТК-8008 МТК- 16001 МРК- 4001 МРК- 10001 МРК- 16001 Периметр сварного шва, мм Производительность, связок/ч Усилие сжатия элект- родов, Н Максимальная емкость батареи конденсаторов, мкФ 30–50 120–150 1000– 4000 34 000 51–90 100–120 1500– 11 500 185 000 91–140 80–100 3000– 25 000 280 000 30–50 300–900 1000– 5000 44 800 51–90 300–900 1500– 12 000 201 000 91–140 200–500 3000– 20 000 280 000 Наиболее ответственными элементами в конденсаторных свароч- ных машинах являются электроды, которые должны обладать высокой электро- и теплопроводимостью при достаточной твердости и износо- стойкости. Форма и размеры контактных поверхностей электродов должны обеспечивать надежный подвод электрической энергии и пе- редачу давления к свариваемым деталям корпусов. Электроды для контактной конденсаторной сварки могут быть комбинированными и некомбинированными (рис. 6.8, а, б). Основание 1 комбинированно- го электрода изготавливают из меди М1, М2, М3, а рабочую часть (наконечник 2) – из сплава ВМ (20–30 % Сu и 70–80 % W). Для обес- печения минимального теплового сопротивления комбинированного электрода наконечник припаян к основанию серебряным припоем. 164 Рис. 6.8. Электроды и фиксатор для контактной сварки: а – комбинированные; б – некомбинированные; 1 – основание; 2 – наконечник; 3 – фиксатор Технология герметизации контурной сваркой заключается в под- боре режима сварки, сборке деталей корпусов вместе с электродами в представленное на рис. 6.9 специальное приспособление, которое служит для строгой центровки сварочных электродов и самого про- цесса сварки. Рис. 6.9. Сварочное приспособление для герметизации корпусов контурной контактной сваркой: 1 – наконечник; 2, 8 – верхний и нижний электроды; 3, 9 – верхняя и нижняя втулка; 4 – стакан; 5 – наружная обойма; 6 – герметизируемый корпус; 7 – распорная втулка; 10 – пружина; 11 – кольцо; 12 – штифт а б 165 После сварки и снятия усилия сжатия приборы освобождают из приспособления и помещают в тару. При каждой смене электродов и после определенного количества сварок проверяется внешний вид электродов и параллельность по отпечатку. Внешний вид свариваемых деталей проводят с помощью лупы. Прожоги, выплески, непровары, наплывы металла и смещение свариваемых деталей, приводящие к отклонению от размеров не допускается. Шовная (роликовая) сварка применяется для герметизации прямоугольных корпусов интеграль- ных микросхем. В ней из отдельных точек образуется сварной шов, необходимый для обеспечения герметизации корпуса. Обычно ток по- дается в виде импульсов, паузы между которыми можно регулировать, изменяя расстояние между точками. Для герметичности шва точки должны перекрывать одна другую. При шовной сварке для соединения деталей корпусов используют вращающиеся ролики, к которым под- веден сварочный ток и приложено давление сжатия. Ролик выполняет функцию электрода с распределенным рабочим участком. Это ролико- вая герметизация. Цикл герметизации состоит из следующих опера- ций. Корпус микросхемы 3 с предварительно подготовленной крыш- кой укладывают в гнездо поворотного столика 4 каретки 1 (рис. 6.10.) Рис. 6.10. Схема герметизации корпусов роликовой сваркой: а – схема; б – варианты включения сварных роликов; 1 – каретка; 2 – сварочный ролик; 3 – микросхема; 4 – поворотный столик с посадочным гнездом для микросхемы При прохождении столика каретки под вращающимися роликами происходит сварка двух сторон корпуса микросхемы 3. По достиже- нии кареткой крайнего положения столик с корпусом микросхемы по- ворачивается на 90°, а ролики раздвигаются на необходимую величи- а б 166 ну. Каретка движется в противоположном направлении, и при про- хождении столика микросхемой под роликами происходит сварка остальных двух сторон герметизируемого корпуса. Основными пара- метрами режима являются мощность источника питания, длительность сварочного импульса, скорость сварки, скважность режима сварки. Выходная мощность источника питания в импульсе Р = qπb2/(4ηn), где b – ширина поверхности контакта деталей; ηn – эффективный КПД (~ 0,5); длительность сварного импульса tи  tисп, где tисп – время, по истечении которого начинается интенсивное испарение, приводя- щее к негерметичности. Для герметизации корпусов ИМС контакт- ной шовной сваркой применяют сварочные машины – полуавтомати- ческие машины ПГРС-1М, ПГРС-2 и полуавтомат 10 СС900-007, позволяющие герметизировать плоские металлостеклянные и метал- локерамические корпуса с выводами, расположенными как парал- лельно, так и перпендикулярно плоскости основания. Для увеличе- ния производительности машин шовной сварки процесс герметиза- ции следует разделять на две операции: сборку основания и крышки с предварительной приваркой их на специальных приспособлениях и непосредственно шовную сварку. 6.4. Герметизация сваркой плавлением С развитием производства ИМС и новых типов полупроводни- ковых приборов широко применяются способы герметизации свар- кой плавлением кромок соединяемых деталей (см. рис. 6.11). Рис. 6.11. Типовая конструкция корпуса, герметизируемого аргонно-дуговой сваркой: 1 – крышка; 2 – основание корпуса; 3 – сварочный шов 167 Это объясняется особенностями конструкции ряда широко распро- страненных корпусов микросхем – боковым расположением выводов и наличием стеклоизолятора или керамического изолятора непосред- ственно под зоной герметизации или вблизи ее, что делает герметиза- цию сваркой давлением практически невозможной, а при герметиза- ции пайкой требуется нагрев всей микросхемы. Наиболее распростра- нены следующие способы герметизации сваркой плавлением: аргонно- дуговая, микроплазменная, электронно-лучевая, лазерная. 6.4.1. Герметизация аргонно-дуговой сваркой Эта сварка является одним из видов электродуговой сварки, при ко- торой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой элект- рической дуги. В зону дуги подается защитная струя аргона, которая, обтекая электрическую дугу и сварочную ванну, предохраняет рас- плавленный металл от воздействия атмосферного воздуха, окисления и азотирования. Герметизация происходит при расплавлении кромок свариваемых деталей корпуса с образованием сварочного шва и по- следующего процесса кристаллизации шва металла. В технологии по- лупроводниковых приборов и ИМС для герметизации корпусов при- меняется аргонно-дуговая сварка неплавящимися электродами (элек- троды служат только для возбуждения и поддержания горения дуги). Ее используют для герметизации металлостеклянных корпусов со штырьковыми выводами, периметр сварки которых превышает 50 мм, а суммарная толщина кромок отбортовки составляет 0,2–0,6 мм. Основные преимущества аргонно-дуговой сварки (АДС) – возмож- ность применения местного нагрева деталей корпуса, а недостаток – повышенные требования к точности изготовления оснастки и совме- щения свариваемых деталей, а также чувствительность к отклонениям рабочих параметров дуги, т. е. нестабильность ее горения. Технологический процесс герметизации корпусов АДС представ- лен на рис. 6.12. Детали корпусов собирают в кассеты 4 и, предварительно прове- ряя (внешним осмотром) чистоту поверхности свариваемых кромок, устанавливают на столе (планшайбе) сварочной установки. Конец электрода 5 помещают относительно свариваемых кромок на рас- стоянии длины дуги. В качестве неплавящегося электрода исполь- зуют прутки вольфрама, содержащие 1,5–2,0 % тория. Диаметр элект- 168 рода для импульсного режима зависит от сварочного тока. Конец электрода затачивается на конус с углом от 15 до 30°. К торцевой поверхности свариваемых кромок электрод располагается под уг- лом 70°. Для предупреждения блуждания сварочной дуги по поверх- ности герметизируемого корпуса используют малые диаметры элект- родов и короткую (до 0,6–0,7 мм) дугу, при этом для получения стабильной глубины проплавления металла допускаемое отклоне- ние длины дуги не должно превышать ±0,1 мм. Рис. 6.12. Схема герметизации корпусов аргонно-дуговой сваркой: 1, 3 – теплоотводы крышки и основания; 2 – микросхема; 4 – корпус кассеты; 5 – электрод; 6 – сопло горелки Основными параметрами технологического режима АДС явля- ются: сварочный ток, скорость сварки, длина дуги, давление защит- ного газа в рабочей камере. Сварочный ток и скорость сварки под- бираются в зависимости от свариваемых металлов и толщины кро- мок. Давление защитного газа в сварочной камере должно быть ~ 0,2103 Па. Передвигая горелку 6 с электродом 5 вдоль кассеты с собранными микросхемами 2, осуществляют сварку в установлен- ном режиме. Перекрытие шва происходит на длине 10–25 % от его периметра с плавным снижением тока до минимального. АДС явля- ется разновидностью электро-дуговой сварки, выполняется в защит- ной атмосфере аргона плавящимся или неплавящимся электродами. При сварке плавящимся электродом (рис. 6.13, а) электродная прово- лока одновременно служит электродом и присадочным материалом. Сварка неплавящимся электродом может производиться как без при- садки (рис. 3.16, б), так и с нею (рис. 3.16, в). При АДС выделяется 169 значительное количество тепла, нагревающее корпус до 300 С и более, что может быть причиной выхода приборов из строя. Рис. 6.13. Аргонно-дуговая сварка электродами: а – плавящимся; б и в – неплавящимся без присадки с присадкой; 1 – наконечник горелки; 2 – электродная проволока; 3 – дуга; 4 – свариваемые детали; 5 – защитный газ; 6 – неплавящийся электрод; 7 – присадочный материал Для снижения температуры нагрева и повышения качества герме- тизации необходимо обеспечивать хороший теплоотвод, требуемые плотность, диаметр дуги и скорость охлаждения. АДС выполняется в специальных скафандрах (камерах), заполняемых инертным газом, или этот газ подается непосредственно к месту сварки. АДС позволя- ет управлять процессами диффузии и дегазации жидкого металла. Аргонно-дуговой сваркой герметизируют гибридные ИМС, для чего служат специальные установки УСКМ-2, УСКМ-2М. На установке УСКМ-2 в импульсном или непрерывном режиме последовательно заваривают противоположные стороны прямоугольных корпусов при возвратно-поступательном движении горелки и повороте столика с кассетой на 180. Режим герметизации коваровых прямоугольных корпусов с суммарной толщиной свариваемых кромок 0,6 мм следую- щий: сварочный ток 14–15 А; скорость сварки – 20 м/ч; частота сле- дования импульсов – 22 Гц; длительность tи = 0,03 с, паузы tn = 0,09 с, расход инертного газа – 3–4 л/мин. Контроль сварного АДС соединения осуществляется внешним осмотром и проверкой герметичности. Сварные швы должны иметь гладкую или мелкочешуйчатую поверхность по всей их длине без видимых дефектов (непроваров, подрезов, пор, трещин, незаплав- ленных кратеров). а б в 170 6.4.2. Герметизация микроплазменной сваркой Микроплазменная сварка (МПС) – это разновидность АДС, при- меняется для герметизации корпусов с малой толщиной. Для сварки этим способом используется сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием. Плазменная сварка не имеет присущих АДС недостатков: срав- нительно большого активного пятна и нестабильности при малых токах. Плазменная дуга характеризуется высокими скоростями по- тока плазмы и температурой столба. Для получения дуговой плаз- менной струи используются специальные плазменные головки-плаз- мотроны, в которых имеется неплавящийся вольфрамовый элект- род, изолированный от канала и сопла, или этим анодом служит герметизируемое изделие. Газовая среда в плазмотроне защищает от окисления и охлаждения вольфрамовый электрод и сопло; обес- печивает получение стабильной плазменной струи с необходимой температурой и скоростью, а также максимальную теплопередачу к герметизируемому изделию. Схема герметизации корпусов мик- роплазменной сваркой приведена на рис. 6.14. Рис. 6.14. Схема герметизации корпусов микроплазменной дугой: 1 – электрод; 2 – плазмообразующий газ; 3 – корпус горелки; 4 – защитный газ; 5 – теплоотвод; 6 – свариваемые кромки корпуса При сближении плазменной горелки – вольфрамового электрода (катода) со свариваемыми деталями высокочастотным осциллято- 171 ром (преобразователя промышленного тока по частоте и напряже- нию) создается вспомогательная дуга, которая образует между ними электропроводный столб, возбуждающий основную дугу. Для при- дания факелу плазмы формы в виде цилиндра, конуса, диска, петли используют различные насадки, надеваемые на горелки. Изменени- ем сварного тока, напряжения, угла наклона струи, скорости и рас- хода истечения газов, а также состава газа и геометрической формы струи можно регулировать параметры плазменной сварки. Существует несколько промышленных установок микроплазмен- ной сварки. Установка МПУ-4 обеспечивает сварку в непрерывном и импульсном режимах постоянного тока с прямой и обратной поляр- ностью при длительности импульсов тока и пауз 0,03–0,5 с, диапазон токов прямой полярности 3–30 А, обратной полярности 1,5–15,0 А, и имеет ток вспомогательной дуги 3–6 А; напряжение холостого хода 60–80 В. Расход плазмообразующего газа (аргона) составляет 0,2–0,8 и 2–8 л/мин. Применяют также полуавтоматы для гермети- зации микросхем в круглых корпусах и прямоугольных, имеющие такую конструкцию, которая гарантирует нагрев активных компо- нентов приборов не выше 100 С. 6.5. Герметизация корпусов электронно-лучевой сваркой Герметизация сваркой электронным лучом по сравнению с другими видами имеет выгодные особенности – точное регулирование и управ- ление тепловой энергией, локальный нагрев, высокая чистота при сварке благодаря наличию вакуума. Сущность герметизации элек- тронно-лучевой сваркой состоит в формировании непрерывного свар- ного шва по всему контуру корпуса за счет перекрывающихся сварных точек, образующихся в результате воздействия нагрева до температу- ры плавления сфокусированного электронного луча на отбортовку вращающегося корпуса (крышки и основания). Нагрев электронным лучом осуществляется вследствие превращения кинетической энергии ускоренных электронов в тепловую при торможении в свариваемых металлических деталях. Высвобождение энергии при электронно- лучевой сварке происходит в самом веществе, причем наиболее интен- сивное тепловыделение наблюдается на глубине порядка 1 мкм, по- этому тепловой источник считается поверхностным. Герметизацию электронно-лучевой сваркой можно выполнять в непрерывном и им- 172 пульсном режимах, но эффективнее импульсный режим, так как воз- можна герметизация с малой зоной термического влияния. Основными параметрами техпроцесса ЭЛС являются ускоряющее напряжение, диаметр электронного луча, скорость сварки, длитель- ность и частота следования импульсов (для импульсного режима). При герметизации корпусов электронно-лучевой сваркой (ЭЛС) сум- марная толщина отбортовки на сварку составляет 0,4–0,8 мм, необ- ходимая глубина проплавления, обеспечивающая герметичность кор- пуса – 0,5–0,8 мм, а степень перекрытия сварных точек 50–60 % от их диаметра (она определяется их размером и шагом). Шаг S = V / Tц, где V – скорость сварки; Tц – время цикла. Сварные швы, получен- ные данным способом, имеют гладкую или мелкочешуйчатую по- верхность по всей длине. Основным дефектом швов являются непровары, образующиеся из-за увеличения зазора между свариваемыми кромками, смещения линии стыка кромок относительно оси луча, несоблюдения техно- логических режимов. При электронно-лучевой сварке электронный пучок действует почти мгновенно, поэтому ИМС не нагревается. Электронный луч перемещается относительно герметизируемого корпуса, или корпус относительно луча с заданной скоростью по определенно траектории. Электронно-лучевая установка герметиза- ции корпусов показана на рис. 6.15. Электронный пучок в установке неподвижен, а перемещается сто- лик с изделиями. Установка состоит из вакуумной системы, двух вакуумных камер, системы управления электронным пучком и уст- ройство для перемещения рабочего столика. Вакуумная система, состоящая из механического 8 и диффузионного 9 насосов, также трубопроводов, служит для создания в вакуумных камерах давле- ния р ~ 10–4–10–5 мм рт. ст. В первой камере расположена электронная пушка 1, электромаг- нитная фокусирующая линза 4 и отклоняющая электростатическая система 5. При работе установки катод 2 электромагнитной пушки из вольфрамовой проволоки, нагревают до Т ~ 2400–2500 С, а к ано- ду 3 через выпрямитель 15 подводят напряжение от высоковольтно- го трансформатора 14 (U от 20–30 до 100–150 кВ). Испускающий катодом пучок электронов ускоряется, фокусируется электромаг- нитной линзой в диаметре 0,05–0,50 мм и направляется на обраба- 173 тываемую поверхность (корпус). В результате электронной бомбар- дировки локальные участки корпуса расплавляются. Рис. 6.15. Электронно-лучевая установка герметизации корпусов: 1 – электронная пушка; 2 – катод; 3 – анод; 4 – электромагнитная фокусирующая линза; 5 – отклоняющая система; 6 – корпус полупроводникового прибора; 7 – ходовой винт; 8 и 9 – механический диффузионный насосы; 10 – электродвигатель привода столика; 11 – столик; 12 – рабочая камера; 13 – электронный пучок; 14 – высоковольтный трансформатор; 15 – выпрямитель Размещенную во второй рабочей камере 12 кассету с нескольки- ми полупроводниковыми приборами с помощью соответствующего устройства вращают или перемещают горизонтально в двух взаим- но перпендикулярных направлениях. В этой камере для контроля процесса сварки имеется оптическое окно и детектор отраженных электронов. Рабочий столик 11 перемещается двумя приводными механизмами с шаговыми двигателями 10, расположенными снару- жи рабочей камеры 12. Скорость перемещения столика изменяется от 5,12 до 1,2510–4 мм/с, причем каждый управляющий импульс соответствует сдвигу столика на 10 мкм. Система управления элект- ронным пучком обеспечивает необходимую длительность сварки, регулирование тока и отклонение луча. Прямоугольные корпуса микросхем герметизируют, поворачивая их в вертикальной плоско- 174 сти сварочными кромками к электронному пучку. Сфокусирован- ный электронный пучок направляется на кромки деталей гермети- зируемых корпусов с помощью отклоняющей системы. При сварке прямоугольных корпусов на электронно-лучевой установке У-496 со скоростью 25 мм/с начальное расстояние между длинной кром- кой корпуса и электронным пучком равно 5,5 мм. Выпускаются установки ЭЛС, в которых электронный пучок перемещается отно- сительно изделия по заданной программе. Достоинствами гермети- зации электронно-лучевой сваркой является возможность соедине- ния очень тонких материалов толщиной несколько микрон, а также соединение тугоплавких, высокопрочных и химически активных металлов и сплавов при значительных скоростях (10–100 м/ч). 6.6. Герметизация корпусов лазерной сваркой Принцип герметизации лазерной сваркой состоит в совместном оплавлении соединяемых материалов под действием интенсивного светового потока (переводом импульсной световой энергии в тепло- вую) с образованием шва. Структурная схема герметизации корпу- сов лазерной сваркой изображена на рис. 6.16. Рис. 6.16. Схема герметизации корпусов лазерной сваркой: 1 – оптическая система; 2 – свариваемые детали; 3 – лампа накачки; 4 – активный элемент Лазерная технология по сравнению другими способами гермети- зации, обладает рядом преимуществ. Основное достоинство лазер- ного излучения как источника теплоты при сварке – возможность концентрации больших энергий на малых поверхностях в короткие промежутки времени, т. е. высокая локальность нагрева. В резуль- 175 тате можно сваривать металл в непосредственной близости от ме- таллостеклянных или металлокерамических спаев, проводить гер- метизацию без термического влияния на элементы и компоненты микросхем и структуры полупроводниковых приборов. Лазерная сварка обладает следующими достоинствами: возмож- ностью соединения различных разнотолщинных и тугоплавких (вольф- рам, молибден) материалов, а также металлов, обладающих высокой теплопроводностью (медь, серебро); незначительным нагревом близко расположенных от места сварки участков; отсутствием деформации соединяемых деталей; возможностью выполнения в труднодоступ- ных местах, через прозрачные оболочки, в замкнутых объемах и в любой среде, а также передачей лазерного излучения по прозрач- ному материалу (сапфиру) непосредственно к месту соединения. Не- достатки лазерной сварки – незначительная глубина проплавления соединяемых материалов при средних мощностях излучения, выплес- ки испаряемого металла при использовании мощных (более 8 кВт) лазеров и необходимостью удаления образующихся газов и ионизи- рованных паров свариваемых материалов. Для герметизации корпусов применяют шовную лазерную свар- ку, выполняемую как в непрерывном, так и импульсном режимах работы лазера, а точечная сварка используется при приварке выво- дов и пайке тонких деталей. Основными параметрами лазерной сварки является энергия лазерного излучения в импульсе или мощ- ность лазерного излучения, длительность лазерного импульса, диа- метр луча, частота следования импульсов и скорость сварки, кото- рые обуславливают обобщенный энергетический параметр – интен- сивность излучения в фокальном пятне: Ed = 4Wn / (πdлτи), где Wn – энергия лазерного излучения; dл – диаметр луча; τи – длительность лазерного импульса. Для каждой пары соединяемых материалов существует предель- ное значение интенсивности излучения в фокальном пятне, выше которого сварка будет сопровождаться значительным испарением металла из зоны нагрева или выплеском части расплавленного ме- талла. Оптимальные условия сварки большинства сочетаний метал- 176 лов обеспечиваются интенсивностью 105–106 Вт/см2. Управление ин- тенсивностью излучения в фокальном пятне осуществляется: изме- нением длительности воздействия излучения на материал, изменени- ем выходной энергии, изменением площади фокального пятна. Для получения вакуумно-плотного шва при сварке в импульсном режиме степень перекрытия сварных точек должна составлять 50–80 % от диаметра сварной точки. Она зависит от их диаметра и шага. Шаг S = Vсв / Tц = Vсв / fn, где Vcв – скорость сварки; Tц – время цикла; fn – частота следования импульсов. Техпроцесс герметизации диода в круглом металлокерамическом корпусе состоит из подготовки к сварке свариваемых деталей и за- грузке их в специальное приспособление, обеспечивающее стабиль- ное положение деталей относительно лазерного луча, собственно лазерной сварки, и проверки качества свариваемого шва. Сваривае- мые кромки не должны иметь заусенцев, раковин, царапин, трещин, жировых пятен и других загрязнителей. Зазор между свариваемыми элементами в зоне сварки должен быть минимальным (не превы- шать 10–25 % от меньшей толщины свариваемых кромок). Он обес- печивается с помощью прижимов при сжатии свариваемых кромок в сварочном приспособлении или предварительной приваркой дета- лей в одном или двух точках. После установки режима сфокусиро- ванный лазерный луч направляется на свариваемые кромки корпуса и крышки. Круглый корпус диода вращается вокруг оси, перпенди- кулярной оси луча. Все точки периметра корпуса последовательно проходят под лучом на одинаковом расстоянии. Внешний вид свар- ных соединений проверяют осмотром через лупу, причем не долж- но быть прожогов, непроваров, свищей и пор. Механическая прочность соединения должна быть не менее 0,8 предела прочности свариваемых металлов. Схема специализированной полуавтоматической установки Квант-17 изображена на рис. 6.17. Она предназначена для герметизации одновременно сваркой с двух сторон корпусов микросхем размерами от 10 до 40 мм. Для этого в установке имеются два активных элемента 6, которые расположе- ны соосно и помещены в отдельные камеры с импульсными лампа- 177 ми накачки 7, подключенными к общему источнику питания 8 по- следовательно для обеспечения одинаковых излучений, и резона- тор, состоящий из двух сферических зеркал 5. Рис. 6.17. Схема полуавтоматической двухлучевой установки Квант-17: 1 – призма полного отражения; 2 – объектив; 3 – кассета; 4 – корпус микросхемы; 5 – сферическое зеркало; 6 – активный элемент; 7 – лампа накачки; 8 – источник питания С помощью призм 1 полного внутреннего отражения и объекти- вов 2 лазерные лучи с двух сторон направляются на сварочные кромки корпуса 4 микросхемы и фокусируются на них. Для укладки герметизируемых микросхем служит многоместная кассета 3, кото- рая после сварки двух параллельных сторон корпуса автоматически перемещается с заданной скоростью и поворачивается на 90 для герметизации двух других сторон. При воздействии лазерного луча некоторая часть излучения от- ражается от свариваемых поверхностей, причем коэффициент от- ражения всех металлов с увеличением длины волны лазерного пуч- ка увеличивается. Поглощающая способность металлов также не постоянна и увеличивается с ростом температуры. Уменьшается отражательная способность свариваемых металлов: созданием ше- роховатости в местах сварки, покрытием этих мест пленками, имею- щие низкий коэффициент отражения, подбором оптимальных форм и размеров кромок соединяемых деталей. Для уменьшения потерь лазерного излучения при сварке металлов с большой теплопровод- ностью сварочные кромки делают тонкими (до 0,5 мм), а для сни- жения отражательной способности на свариваемых металлических 178 деталях выполняются специальные светоловушки – треугольные щели. Режим лазерной сварки в зависимости от свойств, толщины и формы сварочных кромок, состояния поверхности пар соединяе- мых металлов подбирают опытным путем. Прочность сварочного соединения при увеличении энергии сначала растет, а затем умень- шается, так как наступает момент интенсивного испарения металла, при котором площадь сечения литой зоны становится меньше, что снижает прочность. Увеличение длительности сварочного импульса способствует более полному удалению нерастворенных газов, что снижает пористость сварочного шва. Диаметр сфокусированного све- тового пятна должен быть оптимальным, так как им определяется площадь сечения литой зоны шва. В полупроводниковом производ- стве для герметизации корпусов используются установки Квант-10, Квант-12 и Квант-17 на твердотельных лазерах, применение кото- рых для сварки обусловлено высокой частотой повторения импуль- сов, более коротковолновом излучением и лучшей разрешающей спо- собности, чем у газовых. 6.7. Герметизация корпусов пайкой Герметизация пайкой корпусов полупроводниковых приборов и ИС находит ограниченное применение, причем для некоторых типов приборов – маломощные диоды в металлостеклянном корпусе с охва- тывающим спаем, ряд конструкций микросхем в плоских металло- стеклянных и металлокерамических корпусах. Сущность процесса герметизации корпусов пайкой заключается в соединении металли- ческих и металлизированных поверхностей деталей корпусов с по- мощью припоя. Активация соединяемых поверхностей осуществля- ется действием флюса. При бесфлюсовой пайке роль флюса выпол- няет газовая среда или специальные компоненты припоя. К преиму- ществам герметизацией пайкой относят отсутствие значительных давлений специального инструмента (электроды для сварки), а к не- достаткам – необходимость нагрева прибора до значительной темпе- ратуры (200–350 С) и вредное влияние флюсов, необходимость рабо- ты в атмосфере водорода или дорогостоящих инертных газов, критич- ность режимов пайки, особенно при герметизации микросхем с на- личием золота на соединяемых деталях. В полупроводниковой про- мышленности применяют два вида герметизации низкотемпературной 179 пайкой: в конвейерных печах и струей горячего газа на специальных установках. Используются оловянно-свинцовые припои ПОС-61 и ПСр-2,5. Припои, как показано на рис. 6.18, используются в виде за- кладных деталей, представляющие детали одной и той же массы. Рис. 6.18. Закладные детали различной формы: 1 – припойные детали с просеченными отверстиями; 2 – детали с припойным покрытием Использование для пайки таких деталей позволяет вводить в па- яемый узел определенное количество припоя и флюса, в результате чего получают однородное соединение. При герметизации пайкой в конвейерной печи диодов в металлостеклянном корпусе и струей горячего газа микросхем в плоском металлокерамическом корпусе движущаяся лента с определенной скоростью проходит непрерывно через конвейерную печь. Она перемещает в загруженные кассеты, установленные с одного конца трубы. Для предохранения паяемых деталей корпусов и припоя от окисления в процессе нагрева рабо- чее пространство печи заполняют чистым и сухим инертным газом. Техпроцесс герметизации пайкой включает подготовку деталей корпусов к пайке, непосредственно пайку и контроль загерметизи- рованных изделий. Необходимым условием качества пайки являет- ся тщательная очистка паяемых поверхностей. Пайка деталей кор- пуса осуществляется нагревом в печи собранных в кассеты деталей с заранее вложенным припоем, покрытым флюсом. При этом ис- пользуется специальная конструкция кассеты (см. рис. 6.19), кото- рая обеспечивает в процессе пайки взаимные расположения деталей с необходимой точностью и определенное давление для контакта паяемых поверхностей. 180 Рис. 6.19. Кассета для пайки металлостеклянного корпуса: 1 – Аl (электрод); 2 – пробка; 3 – вывод; 4 – баллон; 5 – держатель с кристаллом; 6 – корпус кассеты; 7 – шайба припоя При загрузке кассеты сначала загружают шайбу 7 припоя в гнез- до кассеты 6, затем металлостеклянный баллон 4, держатель 5, да- лее шайбу припоя в пробку 2 кассеты, вывод 3 в пробку со стороны шайбы припоя, устанавливают загруженную пробку в направляю- щие отверстия кассеты и опускают вывод в верхнее отверстие бал- лона до прижима к Аl-электроду 1 кристалла, а шайбу – на торец баллона. Кассеты выполняют из жаростойких материалов – графи- та, нержавеющей стали, которые не загрязняют арматуру. Весь узел подогревается в печи до температуры пайки замедленно, поэтому большое значение имеет скорость, с которой подводится теплота. Температура печи должна обеспечить расплавление припоя и пе- регрев его на 50–60 С выше точки плавления при опреденном време- ни выдержки. При нагреве припойная шайба расплавляется и образует припойный корпус, соединяющий выводы и держатели с облуженны- ми коваровыми втулками. После пайки детали охлаждают в холодиль- ной камере. Способ пайки в конвейерной печи обеспечивает высокое качество паянных соединений. Преимущества способа герметизации низкотемпературной пайкой в конвейерной печи: отсутствие окисле- ния поверхностей деталей и припоя при нагреве; уменьшение дефор- мации узлов благодаря равномерности их нагрева и жесткости кассет; отсутствие пережогов, коробления, наплывов припоя; возможность сборки приборов и ИС с несколькими паяемыми выводами. Пайка струей горячего газа применяется при незначительных объемах выпускаемой продукции. Способ заключается в нагреве паяемых деталей и расплавлении припоя направленным потоком 181 воздуха или инертного газа, температура и расход которого тща- тельно регулируется. Схема герметизации плоских металлостеклян- ных и металлокерамических корпусов струей горячего газа показа- но на рис. 6.20. Рис. 6.20. Схема пайки горячим воздухом или газом: 1 – нагреватель; 2 – горячий газ; 3 – герметизация ИС в сборе перед пайкой; 4 – приспособление для прижима крышки к корпусу. Основание микросхемы укладывают в кассету. На основание по- мещают припойную рамку, покрытую флюсом, и крышку корпуса, которую с помощью приспособления 4 прижимают к основанию, при этом усилие прижима Ф = pS, где р – удельная нагрузка (для ПСр-2,5 р = 100–200 г/см2, а для ПОС-61 р = 510 г/см2); S – площадь крышки. Кассета в фиксированном положении устанавливается под струю инертного газа 2, который предварительно пропускается через специ- альные нагреватели 1, нагреваясь до необходимой температуры. В мо- мент установки кассеты начинается автоматический отсчет времени пайки. Под действием горячей струи инертного газа припой плавится и смачивает поверхность основания и крышки, при этом между ними образуется тонкий слой припоя. По истечении определенного време- ни из-под нагревателя выдвигают кассету и вынимают загерметизи- рованную микросхему, которую охлаждают. Паянные швы имеют однородную монолитную структуру и плотный контакт с поверхно- 182 стью крышки и основания корпуса. Инертная среда предотвращает окисление деталей при высокой температуре пайки – это преимуще- ство. Ход процесса определяется температурой пайки, расходом газа и временем выдержки. Эти параметры легко поддерживаются в за- данных пределах, что позволяет получать надежные паянные соеди- нения. При герметизации пайкой горячим воздухом или газом воз- можны следующие дефекты: полное или частичное отсутствие сма- чивания паяемых поверхностей припоем; щели в паяемом соединении, затекание припоя внутрь прибора; перекосы паяемых деталей. Причины плохого смачивания связаны с загрязнением поверхно- сти, наличие оксидного слоя на паяемых поверхностях, недостаточ- ная температура в зоне пайки. Наличие щелей обусловлено чрез- мерными зазорами между деталями, глубокими царапинами на пая- емых поверхностях. Затекание припоя внутрь прибора связано с тем, что воздух внутри корпуса нагревается и увеличивается в объеме, частично выходя из корпуса. При охлаждении воздуха внутри кор- пуса раньше, чем начнется кристаллизация припоя, создается по- ниженное давление и неуспевший затвердеть припой вдавливается внутрь корпуса. Перекосы деталей при пайке указывают на плохое качество кассет или их большой износ. Указанные виды брака устраняются при соблюдении техноло- гии, качественном контроле паяемых деталей и узлов и тщательной проверке кассет после их изготовления в процессе работы. В настоя- щее время в полупроводниковой промышленности используются способы герметизации посредством бесфлюсовой пайки (например пайка эвтектикой золото-олово), которую осуществляют в конвей- ерных печах в среде инертного газа при Т = 320–350 С (температу- ра плавления эвтектики 208 С). 6.8. Герметизация корпусов заваркой стеклом Сущность способа герметизации корпусов заваркой стеклом за- ключается в создании монолитной герметичной конструкции за счет соединения между собой стеклянных узлов (спай стекла со стеклом) или стеклянных деталей с металлическими (спай стекла с металлом). Технологическая схема изготовления типовой конструкции выпря- мительного диода, загерметизированной сваркой стеклом, показано на рис. 6.21. 183 Рис. 6.21. Схема герметизации полупроводниковых приборов в стеклянном корпусе: 1 – буса; 2 – вывод; 3 – стеклянная трубка; 4 – кристалл; 5 – пружинный контакт В полупроводниковой технологии герметизация стеклом осуще- ствляется в основном радиационным нагревом или нагревом пламе- нем. Радиационный нагрев широко используется из-за хорошей вос- производимости технологического процесса и возможности получения стабильных режимов заварки. Герметизация полупроводниковых при- боров при создании спая стекла со стеклом происходит в специальном приспособлении с одновременным контролем электрических парамет- ров приборов или на многошпиндильных полуавтоматах заварки. На пластиковый вывод 2 (рис. 6.21) предварительно напаивают бусу 1 из того же стекла, что и стеклянная трубка 3 баллона, но меньшего диаметра. Для уменьшения опасности перегрева кристалла 4 с р–n- переходами при заварке нижний пластиковый вывод помещают в охлаждаемый водой холодильник. Для центровки верхнего вывода при сборке и настройке прибора служит специальная консольно за- крепленная оправка. Место заварки обычно нагревают спиралью, рас- положенной по окружности вокруг корпуса. Скорость разогрева стекла выбирается тем меньше, чем толще стенки трубки и бусы и термо- стойкость стекла. Быстрый нагрев приводит к неравномерному нагре- ву внешних и внутренних его слоев и появлению в нем внутренних напряжений и растрескиванию. Время заварки выбирается экспери- ментально. Трубка баллона и буса держателя 2 с пружинным контак- том должны находиться строго в центре спирали. При нагреве стекло трубки и бусы в зоне нагрева размягчаются, и начинается его дефор- мация, которая приводит к уменьшению зазора между трубкой и бу- сой. Он постепенно исчезает и детали свариваются. При размягчении 184 стекла трубки и бусы происходит взаимное растворение одного стекла в другом и создается промежуточный по составу и свойствам тонкий расплав из двух стекол, который герметично соединяет трубку армату- ры и бусу держателя. Основные дефекты при герметизации стеклом являются трещины в спае, непровар, сильное оплавление стекла. Для их устранения необходимо точно соблюдать режим заварки, не допус- кать использования деталей и узлов, образующих большой зазор меж- ду соединяемыми поверхностями и быстрого охлаждения прибора по- сле заварки. Простота технологического процесса герметизации стек- лом, возможность визуального контроля операции герметизации – положительные его свойства. Недостатки: высокая температура нагре- ва и концентрация опасных напряжений в зоне раздела горячей и хо- лодной частей корпуса. В полупроводниковой промышленности применяют и менее рас- пространенные способы германизации: ультразвуковой сваркой, че- канкой, завальцовкой. Германизация ультразвуковой сваркой дости- гается крутильными колебаниями в зоне сварки, которые создаются с помощью нескольких синхронно работающих преобразователей и волноводов, прикрепленных к одному сварочному инструменту или специального разрезанного волновода. Благодаря незначитель- ному разогреву в процессе ультразвуковой сварки можно гермети- зировать полупроводниковые приборы, чувствительные к нагреву. При герметизации чеканкой баллон из более мягкого материала вы- саживают в держатель. Для этого способа герметизации использу- ют различные комбинации материалов: сталь–медь, сталь–алюминий и др. При герметизации завальцовкой (рис. 6.22) из более мягкого материала (медь) делают держатель. Рис. 6.22. Герметизация корпуса завальцовкой 185 6.9. Герметизация полупроводниковых приборов и ИС пластмассами 6.9.1. Способы герметизации пластмассами Современный этап развития полупроводниковой промышленно- сти характеризуется значительным увеличением объемов производ- ства надежных и дешевых полупроводниковых приборов и ИМС в пластмассовых корпусах. Это связано с дальнейшей миниатюриза- цией, заменой дорогостоящих металлостеклянных и металлокерами- ческих корпусов, возможностью совмещения технологических опе- раций изготовления корпусов и герметизации, полной механизации. Пластмасса изолирует приборы и микросхемы от внешних воздей- ствий и обеспечивает требуемую механическую и электрическую прочность. Различные типы полупроводниковых изделий герметизи- руют в пластмассовые корпуса разными способами, что связано с их конструктивными особенностями и объемами производства. Различают следующие технологические способы пластмассовой герметизации: литьевое или трансфертное прессование; компресси- онное прессование; опрессовку с помощью жидких композиций; об- волакивание и окунание; герметизацию в полые пластмассовые кор- пуса; заливку во вспомогательные съемные формы; заливку в предва- рительно изготовленный корпус – капсулу. Способ трансфертного прессования распространен наиболее широко. Герметизация полу- проводниковых изделий с помощью пластмасс наряду с большими положительными факторами имеет недостатки: ухудшение условий теплоотвода; появление механических напряжений, возникающих при отвердевании герметика; недостаточная влагостойкость; под- верженность процессам старения. Защитные свойства пластмассо- вого корпуса характеризуются скоростью проникновения через пласт- массу газов и паров, количеством адсорбированной влаги, адгезией пластмассы к металлу рамки и выводов. 6.9.2. Герметизирующие полимерные материалы При выборе герметизирующих материалов и техпроцессов гер- метизации необходимо учитывать режим работы аппаратуры, усло- вия ее эксплуатации, конструктивно-технологические особенности 186 герметизируемых изделий, свойства отдельных элементов конструк- ции, возможное механическое и химическое взаимодействие мате- риалов и элементов конструкции с герметизирующими материала- ми при их контактировании. Герметизирующие полимерные мате- риалы должны обеспечивать: необходимые сроки службы изделий в заданных режимах эксплуатации; высокое сопротивление изоля- ции и малые диэлектрические потери; достаточную механическую и электрическую прочность при высоких уровнях напряжений и мощ- ностей; стойкость к электрическим разрядам, влаге, химическим реагентам; целостность конструкции; получение заданных геомет- рических параметров; высокую технологичность. Отвердение термо- реактивных герметизирующих составов должно происходить в ус- ловиях, исключающих выход из строя дискретных элементов кон- струкции (резисторов, полупроводниковых приборов). В составе поли- мерных композиций не должно быть токсичных веществ. Этому требованию отвечают композиции на основе эпоксидных, кремний- органических, полиэфирных смол и их модификаций. Они характе- ризуются минимальным старением, нагревостойкостью, низким во- допоглащением, высокими адгезионными свойствами. На их основе изготавливается большинство герметизирующих композиций: ком- паундов, лаков, пенокомпаундов, мастик. Компаунды на основе эпок- сидных смол обладают малой усадкой при отвердевании, высокой адгезией, хорошими механическими свойствами. Недостаток зали- вочных эпоксидных компаундов – малый срок их жизнеспособно- сти, т. е. готовят только перед употреблением, что затрудняет авто- матизацию операции герметизации. Этого недостатка лишены эпок- сидные композиции в виде порошков. Таблетирующиеся эпоксид- ные порошки хорошо прессуются и имеют высокие механические показатели. Свойства порошковых композиций и заливочных мате- риалов, применяемых для герметизации, приведены в табл. 6.4. Также используются пластмассы на основе кремнийорганических соединений и полиэфирных смол, которые применяют в виде ком- паундов и в виде порошков. Они термостойки и обладают высокими электрическими свойствами. Полиэфирные смолы – это растворы ненасыщенных полиэфиров в полимерах или олигомерах и представ- ляют термореактивные материалы. Обладают небольшой вязкостью, способностью к отвердению даже при температуре 20 С, хорошей 187 стойкостью к действию воды и кислот. Однако адгезия полиэфирных композиций к другим материалам слабая. Эти материалы имеют большую усадку и для герметизации используются редко. Таблица 6.4 Свойства порошковых композиций и заливочных материалов, применяемых для герметизации Марка материала Срок хране- ния Диапазон рабочих темпера- тур, С Электроизоляционные характеристики Электри- ческая прочность v при 20 С, Омсм, не менее Диэлект- рическая проница- емость при 20 С Угол  при 20 С, град Пресс мате- риал К81-39С 2 мес. От –60 до +135 15 11014 6 0,03 Пресс мате- риал ЭФСП-С 1 мес. От –60 до +155 20 11014 6 0,03 Пресс мате- риал ЭФП-СБ 3 мес. От –60 до +155 22 31014 6 0,03 Пресс мате- риал ЭКП-200 1 мес. От –60 до +200 20 11014 6 0,03 Пресс мате- риал ТМП 3 мес. От –60 до +200 20 51014 5 0,025 Компоноид ЭЗК-25 3 мес. От –60 до +85 27 61014 3,8 0,014 Компоноид ЭЗК-6 3 сут От –60 до +80 18 51014 4,4 0,021 Компоноид ЖМ 3 сут От –60 до +130 20 21015 4,8 0,15 Компоноид ЭЦТ 3 мес. От –60 до +150 20 1014 5 0,01 6.9.3. Герметизация способом прессования пластмасс Сложность процессов заливки, связанная с применением много- компонентных композиций, вызвала появление новых способов пласт- массовой герметизации. Одним из них является способ прессования пластмасс с использованием порошкообразных компоноидов. Здесь осуществляется предварительное смешивание, дробление их до по- рошкообразного состояния с последующей дозировкой в виде пресс- 188 литьевого материала или таблеток. Применение порошкообразных материалов позволяет автоматизировать их точную дозировку в ми- нимальных количествах, что очень осложнено при переработке жид- ких композиций. Герметизация прессованием пластмасс основана на особенности ряда полимерных материалов расплавляться и течь под действием температуры и давления, заполняя при этом пустоты металлической формы с делениями. Использование небольших дав- лений позволяет осуществлять герметизацию приборов и микросхем с гибким проволочным монтажом. Применяются два способа гермети- зации прессованием: компрессорное и литьевое (трансферное литье). При компрессорном прессовании персс-материал помещают непо- средственно в пресс-форму, при литьевом – в загрузочную камеру. Герметизация компрессорным прессованием происходит следу- ющим способом (рис. 6.23). Рис. 6.23. Последовательность операций герметизации компрессионным прессованием: а – арматура; б – размещение арматуры в пресс-форме; в – готовый прибор В пресс-форму 2 загружают арматуру изделия и таблетирован- ный или порошкообразный материал 3. При смыкании пресс-формы пресс-материал под воздействием теплоты и давления, развиваемо- го прессом, переходит в пластическое состояние и заполняет фор- мующую полость. По окончании выдержки опресованные изделия вынимают из пресс-формы. При компрессионном прессовании дав- ление не остается постоянным. В начале прессования для перехода материала в пластическое состояние и заполнения формующей по- лости пресс-формы давление достигает максимума, затем в процес- се выдержки давление спадает. Основными параметрами техноло- гического режима прессования являются температура, удельное дав- ление и продолжительность выдержки герметизирующих изделий под давлением в пресс-форме. а б в 189 При литьевом прессовании (рис. 6.24) пресс-материал помещают в загрузочную камеру, где он подвергается воздействию теплоты и давлению пуансона. Переходя в полужидкое состояние, пресс- материал по литникам (специальным каналам) поступает в форму- ющую полость пресс-формы, в рабочих гнездах которой заложена арматура полупроводниковых изделий, причем обеспечивается пол- ный равномерный прогрев всего пресс-материала. Рис. 6.24. Последовательность операций при герметизации методом литьевого прессования: а, б – размещение арматуры в пресс-форме, загрузка пресс-материала; в – прессование, г – извлечение изделия из пресс-формы; 1 – прибор, подлежащий герметизации; 2 – пуансон; 3 – загрузочная камера; 4 – пресс-материал; 5 – выталкиватель; 6 – матрица; 7 – загерметизированный прибор; 8 – колонки При выборе пластмасс для компрессионного и литьевого прессо- вания учитывают их способность к хорошему измельчению, фор- мированию при низких давлениях, сохранение высокой текучести на период протекания состава и заполнения пресс-формы. Способ- ность формироваться при низких давлениях (0,5–5,0)106 Па имеют специально разработанные эпоксидные элементы ЭФП, К81-39С, кремнийорганический порошок ЭКП-200. Эти материалы имеют требуемую текучесть 60–80 см–1. Техпроцесс литьевого прессования (трансферного литья) на съемных пресс-формах состоит из подго- товки материала к прессованию, подготовки пресс-форм и разме- щения в них арматуры, собственно трасферного литья, доделочных операций, контроля качества опресованных приборов. а б в г 190 В подготовку пресс-материалов входят подсушка, просев, окра- шивание, отмеривание дозы пресс-порошка и таблетирование. Эти операции направлены на ускорение технологического процесса. При повышенном содержании влаги и других летучих веществ в пресс- материалах производят подсушку пресс-порошков при температуре 80 С. Подготовительный этап включает также хранение пресс-мате- риалов. При герметизации пластмассами способом литьевого прессо- вания большое значение приобретает точная дозировка загружаемого в загрузочную камеру пресс-материала, которая обеспечивается таб- летированием пресс-материала, т. е. его механическим прессованием в твердые таблетки различной формы на специальных машинах. Подготовка пресс-форм для герметизации состоит: из очистки и про- тирки рабочих поверхностей; смазки их кремнийорганическими жид- костями во избежание прилипания материала, загрузки арматуры; предварительного прогрева пресс-формы при повышенных темпера- турах (Т = 150–180 С). Используется герметизация прессованием арматуры полупроводниковых приборов и ИМС, собранных на рам- ках, где имеются технологические отверстия, которые совмещают с фиксирующими штырьками пресс-форм для точной посадки арма- туры в формующие полости. Загрузка арматуры выполняется на ра- бочей плите пресса, нагретой до 180–200 С. После этого пресс-фор- му собирают и под прессом смыкают ее верхнюю и нижнюю части. Качество герметизации зависит от конструкции пресс-форм, которые являются сложным и дорогостоящим инструментом. Пресс-формы, используемые для трансфертного литья, могут быть: по характеру эксплуатации – съемными и стационарными; по количеству одновременно прессуемых изделий – одно- и мно- гогнездными; по положению плоскости разъема – с одной или несколькими плоскостями разъема. Съемные пресс-формы в процессе прессования не закрепляются на плитах и снимаются с них для извлечения готового изделия и за- грузки новой партии приборов. Стационарные пресс-формы закреп- лены на плитах пресса неподвижно, поэтому загрузка изделий и из- влечение их после герметизации осуществляется без съема пресс- формы. В одногнездных пресс-формах за один цикл прессования герметизируется одно изделие, в многогнездных – несколько десят- 191 ков и сотен изделий. Широко используется пресс-форма с одной го- ризонтальной плоскостью разъема, которая разнимается на две части (матрицу и пуансон) в одной плоскости, перпендикулярной направ- лению движения ползуна пресса. Основными деталями таких пресс- форм являются пуансон 2 и матрица 6 (рис. 6.24). Собранные вместе, они образуют формующую полость. Их изготавливают из высокока- чественных сталей, хромируют (толщиной 5–20 мкм) во избежание износа и полируют до 10–12 классов чистоты поверхности. Вытал- киватель 5 служит для извлечения загерметизированных приборов, а колонки 8 – для точного направления пуансона в матрицу. Пресс-формы очищают от остатков пресс-материала с помощью шпилек, изготовленных из мягких цветных материалов и сплавов или сжатым воздухом. Для литьевого прессования используют гид- равлические прессы, на которых задается режим герметизации (тем- пература Т, давление Р, время выдержки под давлением). Основны- ми характеристиками гидравлических прессов являются: рабочее давление, размеры плиты стола и величина рабочего хода плунже- ра, определяющие габариты пресс-форм. В пресс-форму, установленную на обогревательной плите гид- равлического пресса, помещают загрузочную камеру и закладывают таблетки или засыпают пресс-порошок. Затем закрывают загрузоч- ную камеру пуансона и после определенной выдержки (5–30 с) плавно опускают плунжер пресса до соприкосновения с пуансоном загрузочной камеры. Доводят давление на прессе при заданной тем- пературе до соответствующего расчетного значения и выдерживают под этим давлением пресс-форму 3–5 мин. Поднимают плунжер, снимают загрузочную камеру и помещают пресс-форму в камеру с повышенной температурой, где выдерживают 5–15 мин в зависи- мости от типа и партии пресс-порошка. Давление прессования определяют по формуле Рпр = Руд·Sзк / (K·Sпл), где Руд – удельное давление прессования; Sзк – площадь горизонтальной проекции загрузочной камеры; K – КПД гидравлического пресса; Sпл – площадь поперечного сечения плунжера пресса. 192 Средняя скорость впрыскивания пластмассы определяется давле- нием прессования, сечением литников и оформляющих плоскостей пресс-форм. Переход герметизирующего материала ЭПФ из жидкого состояния в отвержденное длится 180–200 с с момента засыпки пор порции порошка в загрузочную камеру. Исходя из этого и учитывая время разогрева и время заполнения пресс-формы, выбирают время выдержки под давлением. Для устранения коробления герметизиро- ванных арматур, вызываемых неравномерной скоростью полимери- зации, производится выдержка изделий в пресс-форме при повы- шенных температурах без подачи давления в течение 5–15 мин. Усадочные явления прекращаются в изделиях после выдержки их при Т = 100–180 С в течение 6–8 ч. Внешним осмотром проверяют и отбраковывают приборы, на корпусах которых имеются вздутия, раковины, трещины, царапины. Затем приборы подвергают доделоч- ным операциям – удалению литников и облоя, а также обрубке кон- тура. Обрубка контура рамки, отделяющая контур от выводов, про- водится штамповкой. Способ трансфертного прессования наиболее экономичен при массовом производстве полупроводниковых прибо- ров и ИМС, так как в сочетании с многоместными пресс-формами характеризуется высокой производительностью. 6.9.4. Герметизация под давлением с помощью жидких компаундов При герметизации с помощью жидких компаундов объединяют- ся высокая производительность и простота в одном технологиче- ском процессе. Способ обладает рядом достоинств. Давление при герметизации жидким компаундом значительно меньше, чем спосо- бом прессования, и составляет 0,1–3,5 МПа, а при подогреве падает до 30 кПа, что позволяет герметизировать микросхемы с тонким проволочным монтажом. Композиции в отличие от пластмасс не содержат компонентов смазки, которые снижают адгезию к выво- дам и облегчают проникновение влаги. Стоимость этих композиций ниже стоимости пластмасс. Во вре- мя герметизации готовый компаунд подается в форму из дозатора, в котором непосредственно перед каждым впрыскиванием происхо- дит дозирование и перемешивание определенного количества со- ставных частей. 193 Рис. 6.25. Герметизация с помощью жидких компаундов: 1 – пресс-форма; 2 – дозатор; 3 – кристалл с выводом; 4 – заливочный компаунд Цикл герметизации заключается в следующем. Изделия разме- щают в гнездах пресс-формы, включают пресс и запирают пресс- форму. В нее впрыскивается отмеренное количество компаунда. После отверждения герметика форма открывается и из нее извле- каются загерметизированные изделия. Устройство впрыскивания композиции периодически промывается растворителем. Благодаря низкому давлению впрыскивания усилие, запирающее форму, также небольшое. Пресс имеет давление вдвое меньше, чем при литьевом прессовании. Впрыскивание происходит по линии разъема. Эта опе- рация эффективна в мелкосерийном производстве, когда литьевые формы и оборудование просты и дешевы. Подогрев компонентов перед смешиванием способствует удалению газов и снижению вяз- кости, облегчает вспрыскивание, способствует хорошему заполне- нию заливочной формы. Длительность цикла зависит от продолжительности затвердева- ния композиции. Если используют предварительно подготовленные композиции, их жизнеспособность при 25 С составляет несколько часов, что приводит к удлинению цикла. При дозировании и пере- мешивании компонентов перед каждым впрыскиванием можно ис- пользовать композиции с временем желатинизации 15 с. После из- влечения загерметизированных изделий из пресс-формы требуется дополнительное отверждение при 180–150 С в течение 10–24 ч. 194 7. ЗАЩИТА АРМАТУРЫ НА СБОРОЧНЫХ ОПЕРАЦИЯХ 7.1. Назначение защитных покрытий Одной из основных операций в технологическом процессе изго- товления различных полупроводниковых приборов и микросхем является операция нанесения защитных покрытий. Роль защиты по- верхности полупроводниковых структур резко возросла в связи с использованием для герметизации пластических масс. Обычно эту операцию выполняют в процессе сборки (перед герметизацией при- бора или микросхемы). Защитное покрытие в каждом случае имеет разное назначение. Остановимся на основных из них. 1. Защита поверхности полупроводниковых структур, особенно в области электронно-дырочных переходов, от влияния влаги и дру- гих загрязнений. Взаимодействие полупроводниковых структур с окружающей средой является основной причиной ухудшения их параметров. Поверхность электронно-дырочных переходов интенсивно взаи- модействует с окружающей средой, адсорбируя кислород, воду и другие вещества. Это приводит к тому, что электрические свой- ства поверхности полупроводниковых структур (в первую очередь скорость поверхностной рекомбинации) резко изменяются, что мо- жет служить причиной нестабильности основных электрических параметров, таких как коэффициент усиления по току, пробивное напряжение н др. Сопротивление р–n-перехода при обратном смещении составля- ет не менее 106 Ом, и поэтому даже незначительное количество при- месей, обладающих сопротивлением меньше 106 Ом, будет шунти- ровать р–n-переход и вызывать ток утечки. На рис. 7.1 показано влияние влажности окружающей среды на ток насыщения германи- евого р–n-перехода. Из рассмотрения этой кривой видно, что резкое увеличение тока насыщения наступает при относительной влажности 45–50 %. 195 Рис. 7.1. Влияние влажности на ток насыщения германиевого p–n-перехода 2. Дополнительная защита поверхности полупроводниковых структур, а также бескорпусных полупроводниковых приборов (транзисторов, диодов), используемых в качестве навесных компо- нентов в гибридных интегральных микросхемах, от влияния окру- жающей среды. Защитное покрытие предохраняет поверхность структур от воз- можных повреждений при выполнении сборочных операций (монтаж, разводка), а также способствует стабилизации электрических парамет- ров в условиях повышенных температур и значительной влажности. 3. Изоляция монтажа гибридных микросхем и слоев пассивных компонентов. В случае плотного монтажа схемы образуется значительное ко- личество перекрещиваний и нависаний проводников, соединяющих активные компоненты между собой и с пассивной частью. При зна- чительных механических воздействиях (вибронагрузки, удары и др.) это приводит к замыканию токопроводящих проводников между собой и с пассивной частью схемы. Чтобы исключить возможность перемещения проводников, мик- росхемы заливают слоями лаков, компаундов. 4. Создание дополнительной электрической изоляции высоко- вольтных структур. 5. Укрепление монтажа, мест соединений выводов с ножками, фланцами и другими элементами приборов и микросхем. 196 В данной главе рассматриваются только методы защиты, выпол- няемые в процессе сборочных операций, т. е. методы защиты по- верхности полупроводниковых структур с нанесенными металли- ческими контактами, структур с присоединенными внешними выво- дами, арматур дискретных приборов и микросхем. Из всех существующих способов защиты можно выделить сле- дующие: – защиту органическими веществами: лаками, эмалями, компаун- дами, кремнийорганическими вазелинами, силанированием и др.; – защиту неорганическими веществами: двуокисью кремния, стек- лами специальных составов, пленками нитрида кремния, пленками окислов металлов (Ti, A1 и др.). Защитные покрытия предназначены обеспечить нормальную ра- боту полупроводниковых приборов и микросхем в течение срока службы. Защитные покрытия должны удовлетворять следующим требо- ваниям: – обладать высокими электроизоляционными свойствами (в том числе удельное объемное и поверхностное сопротивление в рабо- чем интервале температур должно быть не менее 1011 Омсм, элект- рическая прочность покрытия должна быть больше напряженности поля, возникающего при электрическом пробое); – иметь высокую тепло- и радиационную стойкость; – не вызывать дополнительных механических напряжений вслед- ствие разности коэффициентов линейного расширения и усадки при сушке и полимеризации; – быть устойчивыми во внешней среде, иметь высокую гидро- фобность и плотность, гарантирующие поверхность р–n-перехода от проникновения воды и других веществ; – иметь хорошую адгезию к поверхности полупроводникового материала и электродным металлам и сплавам; – для оптоэлектронных устройств обладать такими оптическими свойствами, как прозрачность в рабочей области спектра и высокий показатель преломления, которые не должны ухудшаться под воз- действием различных климатических факторов. Процесс нанесения защитного покрытия не должен влиять на элект- рические характеристики прибора и ухудшать его надежность. 197 Выбор метода защиты структур зависит от конструкции и техно- логии изготовления прибора или микросхемы, от применяемых по- лупроводниковых материалов, от требований, предъявляемых к дан- ному прибору или микросхеме. За последнее время в промышленности особое внимание уделя- ется внедрению неорганических диэлектриков для пассивации и изоляции активных и пассивных компонентов микросхем, так как по сравнению с диэлектриками на основе органических материалов они наиболее полно удовлетворяют приведенным требованиям. 7.2. Химическая обработка полупроводниковых структур перед защитой Выбор метода химической обработки полупроводниковых струк- тур перед защитой, как и метода защиты поверхности, зависит в пер- вую очередь от конструкции и технологии изготовления приборов и микросхем. Так, для получения высоких и стабильных значений электриче- ских параметров дискретных (сплавных и диффузионных) структур перед защитой необходима тщательная обработка поверхности с по- мощью травления и последующей промывки. Перед защитой планарных структур с уже имеющейся пленкой двуокиси кремния их поверхность дополнительной обработке не подвергают или ограничиваются промывкой в растворителях. Ос- новные растворители, применяемые в полупроводниковом произ- водстве, и их свойства указаны в табл. 7.1. Таблица 7.1 Физико-химические свойства органических растворителей для производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем Наименование Плотность при 20 С, кг/м3103 Температура кипения, С Трихлорэтилен CHCl = CCl2 Четыреххлористый углерод CCl4 Этиловый спирт C2H5OH Изотропиловый спирт CH2H7OH Ацетон CH3COCH3 1,466 1,595 0,789 0,804 0,79 88–90 76,8 78,4 82,5 56,24 198 Перед защитой с помощью травления очищают поверхность кри- сталлов от окислов и шунтирующих загрязнений и удаляют нару- шенный слой (после разделения пластин на отдельные кристаллы) с целью уменьшения несовершенств и дефектов поверхности. В основном применяют химическое и электролитическое трав- ление. Принцип химического травления основан на окислении поверх- ности структур с последующим удалением образовавшихся окис- лов; при этом используются кислотные или щелочные травители. Травитель состоит из окислителя (азотная кислота, перекись водо- рода) и растворителя (плавиковая кислота, вода). В большинство травителей входят компоненты, влияющие на качество протравлен- ной поверхности и скорость химической реакции (уксусная кислота, бром, йод). Для получения хороших результатов по электрическим параметрам необходимо применять исходные травители с особо очищенными компонентами. Рассмотрим травление основных полупроводниковых материа- лов – германия и кремния – в перекиси водорода (Н2О2) и смеси азотной и плавиковой кислот (НNО3 + HF). При травлении германия в Н2О2 происходит следующая реакция: Н2О2 = Н2О + О. Н2О2 при нагревании разлагается на воду и атомарный кислород, который является хорошим окислителем: Ge + 2O = GeO2. Двуокись германия затем взаимодействует с водой и удаляется с поверхности: GeO2 + H2O = H2GeO3. При обработке кремния в смеси кислот происходит следующая реакция: 3Si + 6HNO3 = 3SiO2 + 3NO2 + 3NO + 3H2O. На рис. 7.2 показана зависимость скорости травления кремния от процентного соотношения компонентов травителя. 199 Рис. 7.2. Зависимость скорости травления кремния от процентного соотношения компонентов травителя Образующаяся двуокись кремния хорошо растворяется в плавико- вой кислоте с образованием летучего четырехфтористого кремния: SiO2 + 4HF = SiF4 + 2Н2О. Скорость и качество травления полупроводниковых структур за- висят от многих факторов. Основные из них: соотношения и кон- центрация компонентов, входящих в травитель; температура трав- ления; объем травильной смеси; интенсивность перемещения в про- цессе травления. Для хорошей повторяемости результатов травление проводят во вращающихся винипластовых или фторопластовых барабанах с боль- шим объемом травителя (по отношению к объему полупроводнико- вых структур), установленных в химических шкафах или специаль- ных скафандрах (рис. 7.3). Рис. 7.3. Химическое травление кремниевых пластин: 1 – кремниевая пластина; 2 – фторопластовый диск; 3 – химический травитель; 4 – ванна для травления 200 Электролитическое травление заключается в анодном растворе- нии полупроводника в растворе электролита. По окончании трав- ления кристаллы или блоки арматур тщательно промывают до пол- ного удаления травильных растворов. Для промывки применяют особо чистую – деионизованную воду с удельным сопротивлением ρ = 5–25 МОм·см. Далее пластины и кристаллы сушат в установках инфракрасной и ультрафиолетовой сушки, вакуумных или обычных термостатах при 110–120 °С. 7.3. Защита с помощью лаков, эмалей, компаундов и кремнийорганических вазелинов Наиболее простым и довольно широко распространенным в про- мышленности способом защиты при сборке является лакирование. Лакирование применяют также перед герметизацией как дополни- тельную или вторичную защиту. Лак или эмаль наносят на силано- вую пленку или окисную пленку планарных структур, что способ- ствует стабильности электрических параметров, особенно при по- вышенных температурах. На отдельных приборах лакирование способствует механическо- му укреплению соединений после разводки выводов. Требования, предъявляемые к защитным полимерным материа- лам, являются общими для всех защитных покрытий. Важно под- черкнуть, что защитное покрытие на основе полимерных материа- лов должно обладать минимальной кислотностью, не содержать активных компонентов и иметь ряд технологических качеств: не слишком большое время сушки и полимеризации; время жизни ма- териала и время его хранения, удобные для производства. Минимально допустимое значение удельного объемного сопро- тивления материала для защиты переходов может быть найдено по формуле ρv = RS / l, где ρv – удельное объемное сопротивление защитного материала; R – сопротивление перехода; S – площадь сечения защитного покрытия, перпендикулярного направлению тока; l – ширина перехода. 201 Обычно удельное объемное сопротивление составляет 11011– –11012 Ом.см. Метод лакирования достаточно прост. Он заключается в том, что полупроводниковая структура или место соединения выводов обво- лакивается каплей защитного материала, затем ее подвергают суш- ке при повышенных температурах по определенному режиму. Лаками называют жидкие материалы, которые являются раство- рами пленкообразующих веществ (лаковой основы) в летучих рас- творителях. После удаления из лака растворителя пленкообразую- щее вещество превращается в твердую лаковую пленку. Наиболее распространенными пленкообразующими являются различные смо- лы, битумы. Эмали представляют собой композиции из лаков с введенными в них органическими пигментами (табл. 7.2). Таблица 7.2 Характеристика защитных материалов Наименование защитного покрытия Элементы защитного покрытия Электриче- ская проч- ность в диа- пазоне рабо- чих темпера- тур, кВ/мм, не менее Удельное объемное сопротивле- ние в диапа- зоне рабочих температур, Омсм, не менее Диапазон рабочих темпера- тур, оС 1 2 3 4 5 1. Лаки и эмали Эмаль АС-539 Суспензия пигмента свинцового сурика, за- тертого на растворе смолы СВМ-31 20 11013 От –60 до +150 Лак МК-4У Раствор кремнийоргани- ческой смолы в этилцел- лозольве или толуоле 30 11010 От –60 до +200 Лак К-55 Раствор полиметилфе- нилсилаксановой смолы в толуоле или смеси скипидар-толуол 25 1011 От –60 до +250 202 Окончание табл. 7.2 1 2 3 4 5 Лак-сульфон З-И Раствор полисульфона- мида на основе изофта- левой кислоты и диа- минодифенилсульфона в диметилацетомиде 50 11012 От –50 до +200 Эмаль КО-97 Смесь кремнийоргани- ческого лака ФН-34 и раствора смолы БМК-5 с добавлением пигмен- тов и наполнителей 20 1012 От –60 до +150 2. Компаунды КЖ-25 Смесь эпоксидной смо- лы ЭД-5, отвердителя, наполнителей и ускори- телей полимеризации 20 1014 От –60 до +70 КЛТ-30 Смесь на основе низко- молекулярного диметил- силоксанового каучука СКТН, отверждаемая метилтриацетоксиси- ланом 20 1013 От –60 до +300 МБК-3 Спиртовой полимер бутилового и метило- вого эфиров метакри- ловой кислоты, пла- стифицированный по- лимером ТГМ-3 15 61011 От –60 до +125 ЭКМ Продукт полимеризации очищенной смолы ЭД-5, перегнанного диметил- винилэпикрилкарбона- ла и малеинового ан- гидрида 15 0,81012 От –60 до +120 ВГО-1 Кремнийорганический компаунд – 31012 при +20 оС От –60 до +250 Эластосил 11-02 То же 10 1013 От –60 до +250 Примечание. Эмаль АС-539, лаки МК-4У, К-55, лак-сульфон З-И и компаунд КЖ-25 предназначены для защиты поверхности электронно-дырочных переходов; эмаль КО-97 и компаунды МБК-3 и ЭКМ, кроме того, и для крепления выводов; компаунд КЛТ-30 – для изоляции монтажа, гибридных микросхем и защиты по- верхности по окисной пленке, а ВГО-1 и эластосил 11-02 – для защиты поверхно- сти полупроводниковых структур. 203 Пигменты улучшают твердость покрытия, нагревостойкость, влаго- стойкость. В процессе высыхания эмалей пигменты вступают в хими- ческие реакции с лаковой основой и образуют плотное покрытие. Кроме эмалей, указанных в табл. 7.2, в промышленности исполь- зуют так называемые эпоксиэмали ЭП-91 и ЭП-92, которые пред- ставляют собой суспензию пигментов на основе окиси хрома в эпок- сидном лаке. Эмали ЭП-91 и ЭП-92 успешно применяют для защи- ты бескорпусных полупроводниковых приборов, служащих в каче- стве активных компонентов в гибридных микросхемах. Компаундами называются смеси смол, битумов, жидкие или раз- мягчающиеся до жидкого состояния при применении, в конечном состоянии отвержденные (табл. 7.2). В отличие от лаков и эмалей они не содержат растворителей. Нельзя дать рекомендации на применение того или иного защит- ного покрытия для определенной группы или типа приборов. Каждое покрытие имеет свои достоинства и недостатки, и практи- чески нет такого материала, который удовлетворял бы всем требова- ниям, предъявляемым к защитным покрытиям. Выбор покрытия по- этому определяется только конкретными данными прибора или мик- росхемы: системой электрических параметров, диапазоном рабочих температур и мощностью рассеяния корпуса, полупроводниковым материалом, климатическими условиями, назначением самой защит- ной операции (крепление монтажа, защита перехода и др.). При всей простоте метод лакирования имеет ряд недостатков, связанных в основном с качеством защитных материалов: длитель- ным циклом отверждения, невоспроизводимостью результатов в за- висимости от партий лака, несплошностью защитной пленки (так как большинство таких материалов содержат летучие раствори- тели), слабой прочностью части материалов при циклических изме- нениях температур. Технологический процесс лакирования состоит из подготовки лака или эмали; нанесения защитного покрытия; сушки защитного покрытия; определения отверждения лака, эмали; контроля качества защиты арматур. Наиболее рационально с целью устранения вредного воздей- ствия влаги операцию лакирования проводить в атмосфере с очень низкой относительной влажностью. Такую среду можно получать в специальных скафандрах. Скафандр представляет собой замкнутую 204 камеру с вводимым под небольшим давлением инертным газом – азотом или аргоном, прошедшим через осушительную колонку. Из- быточное давление в скафандре препятствует проникновению в не- го наружного воздуха. Резиновые диафрагмы в передней панели скафандра позволяют оператору работать без значительного нарушения герметичности. Чтобы влага не испарялась с рук, применяют резиновые перчатки. Азот очищают до содержания кислорода не более 110–4 % и точки росы порядка –70 °С. Перед началом работы инструмент, приспособления и химическую посуду протирают спиртом. У эмалей и лаков определяют вязкость с помощью вискозиметра, так как от этого свойства очень сильно зави- сит их растекаемость по поверхности структур. Перед употреблением лаки и эмали тщательно размешивают до получения однородного со- става. Лак наносят с помощью иглы, шприца, окунанием. Мезаструктуру (рис. 7.4) покрывают эмалью с помощью иглы. Кончик иглы опускают в тигель с эмалью и затем наносят ее на струк- туру с переходом таким образом, чтобы она закрыла кристалл и ни- келевую проволоку электрода на высоту 0,1–0,3 мм. На арматуру (рис. 7.5, 7.6) также наносят защитное покрытие с помощью иглы, причем компаундом 4 (рис. 7.5) закрывают арматуру, которая после сплавления и химической обработки уже покрыта слоем силана. Рис. 7.4. Мезаструктура, защищенная компаундом с помощью иглы: а – до защиты; б – после защиты; 1 – держатель; 2 – кристалл кремния; 3 – индиевый электрод; 4 – защитная эмаль; 5 – никелевый вывод а б 205 Рис. 7.5. Арматура варикапа с защитным покрытием: 1 – держатель; 2 – защитная силановая пленка; 3 – кристалл; 4 – защитное покрытие (компаунд); 5 – вольфрамовый диск Рис. 7.6. Арматура транзистора с защитным покрытием: 1 – вывод; 2 – кристалл с защитным покрытием; 3 – ножка; 4 – защитное покрытие, укрепляющее место сварки Для укрепления места сварки выводов на эпитаксильную p–i–n- структуру (рис. 7.7) наносят защитное покрытие шприцем. В шприц набирают лак и осторожно небольшими порциями закрывают им поверхность структуры с припаянной плющенкой. Рис. 7.7. Внешний вид p–i–n-структуры с защитным покрытием: 1 – вывод (плющенка); 2 – p–i–n-структура; 3 – держатель; 4 – защитное покрытие Наиболее трудоемкой является операция лакирования тех струк- тур, где надо защищать только переход, выходящий на боковые по- верхности кристалла, не затронув его нижней и верхней поверхно- 206 стей, так как после лакирования к кристаллу припаивают выводы и производят монтаж. Предварительная защита диодной матрицы осуществляется на при- способлении (рис. 7.8). Диодные матрицы, смонтированные на специ- альных рамках, загружают в пазы станины приспособления (рис. 7.9), и вращающийся (от электродвигателя) диск начинает перемещать рамку. На одном валу с этим диском насажен другой (фтороплас- товый) диск 6 с желобом для лакировки, в который непрерывно по- ступает из капельницы (баллончика с компаундом) защитная эмаль. При подходе рамки 3 под фторопластовый диск 6 кристалл диодной матрицы окунается в желобок с эмалью. Рис.7.8. Диодная матрица с защитным покрытием: 1 – пластина; 2 – вывод; 3 – кристалл; 4 – защитное покрытие Рис. 7.9. Приспособление для защиты блоков арматур полупроводниковых устройств, смонтированных на ленте: 1 – баллончик (капельница); 2 – компаунд; 3 – рамка с кристаллами; 4 – диск для вибрации компаунда; 5 – лоток; 6 – диск с желобком для лакировки Эмаль полностью обволакивает структуру с переходом. Рамки в приспособление загружают практически беспрерывно. Арматуры, защищенные эмалью, поступают в специальные кассеты и по транс- портеру передаются на следующую операцию для полимеризации эмали. Полимеризация проходит в камере печи инфракрасной суш- ки. После определенной выдержки кассету извлекают и производят контроль по внешнему виду под микроскопом. 207 Планарный транзистор (рис. 7.10) для гибридных микросхем, если он монти- руется в схему приклеиванием, защи- щают с двух сторон методом окунания с помощью специальных приспособле- ний. В тех случаях, когда посадка тран- зистора осуществляется при помощи пай- ки, непланарная сторона его не должна покрываться эмалью. Тогда его защища- ют с помощью иглы под лупой на специ- ально оборудованных рабочих местах. Процесс лакирования требует от ис- полнителей внимания и аккуратности. Лак наносят тонким слоем. От толщины пленки зависит величина механических напряжений, а следователь- но, и электрические параметры. Во время лакирования необходимо следить за тем, чтобы золотые или алюминиевые проволочки, с по- мощью которых осуществляется электрический монтаж, не каса- лись друг друга, кристаллов и площадок для сварки, кроме тех, к которым приварены. Эмаль периодически перемешивают, а загустевшую эмаль раз- бавляют растворителем до нужной консистенции. После нанесения лака или эмали структуры сушат для удаления растворителей и глубокой полимеризации. Для этого арматуру или кристаллы с нанесенным слоем лака или эмали в специальных кас- сетах или лодочках помешают в вакуумные сушильные шкафы, пе- чи инфракрасной сушки или обычные термостаты. Режимы сушки (температура, время выдержки) определяются характером и типом выбранного защитного покрытия. Контроль качества залакированных структур осуществляется внеш- ним осмотром невоооруженным глазом или под микроскопом. Не допускается затекания лака на поверхности кристалла и элементы конструкции арматур, где это может препятствовать качественному выполнению дальнейших сборочных операций (пайке на держатель, присоединению выводов и герметизации). Не должно быть незала- кированных участков на структурах с переходом, выходящим на поверхность. Нанесенный лак не должен отслаиваться от кристалла, поверхность его не должна иметь трещин и быть пористой. Рис. 7.10. Планарный транзистор, защищенный методом окунания: 1 – кристалл; 2 – защитный компаунд; 3 – коллекторный вывод; 4 – эмиттерный вывод; 5 – базовый вывод 208 Иногда дополнительно контролируют качество отверждения за- щитного покрытия. Так, арматуру, защищенную эмалью ЭП-91, вы- держивают в полиэтиленполиамине в течение 16–20 ч. При этом цвет эмали не должен меняться. Появление голубого ореола вокруг арматуры указывает на неполную полимеризацию эмали. Перед отправкой залакированных структур на следующие опе- рации обычно проверяют их электрические параметры. Это делают для того, чтобы оцепить качество лакировки и сушки и своевремен- но выявить и устранить причины брака. Залакированные и высушенные структуры в период контроля, сборки, а также перед поступлением на дальнейшие операции хра- нят в эксикаторах с осушителями. В производстве полупроводниковых приборов и ИС может при- меняться защита арматур с помощью кремнийорганического вазели- на, иногда в сочетании с влагопоглощающими добавками, вводимы- ми в капсулу прибора. Изоляционный вазелин представляет собой смесь кремнийорганической жидкости с мелкодисперсным наполни- телем в виде вязкой пасты. В промышленности применяют крем- нийорганические вазелины КВ-2А, КВ-3 и др. Удельное объемное сопротивление вазелинов типа KB в рабочем диапазоне температур не менее 1012 Омсм, электрическая прочность порядка 15 кВ/мм. Для защиты структур отдельных приборов находит применение и метод напыления пластмасс из псевдоожиженного слоя. Этот метод известен давно, но для защиты полупроводниковых структур стал применяться в последнее время. Так же, как и лакирование, он отли- чается простотой технологического процесса и не требует сложного и дорогостоящего оборудования. При его помощи можно получить тонкую сплошную пленку покрытия. На поверхность полупроводни- ковой структуры наносят порошок полимера, находящийся в псевдо- ожиженном состоянии, и затем его оплавляют. Псевдоожиженный слой представляет собой аэродисперсию, в «кипящем» состоянии которой под влиянием внешних факторов (вибраций, газового подду- ва и др.) частицы быстро перемещаются с одного места на другое. По своим свойствам «кипящий» слой напоминает маловязкую жидкость. Изделие, передвигаясь в таком слое, почти не встречает сопро- тивления. Однако законы, управляющие перемещением частиц в по- рошках, существенно отличаются от законов кипения жидкостей (отсюда и название способа – «псевдоожижение»). 209 Одним из способов нанесения пластмасс на поверхность структур является вибровихревой (рис. 7.11), который заключается в том, что в за- грузочной камере с помощью сжато- го воздуха и вибрации создают «ки- пящий» слой порошкообразного ма- териала. Порошок оседает на поверх- ность нагретых подвешенных арма- тур и прилипает к изделиям. Затем арматуру с нанесенным слоем по- рошка выдерживают при 150–200 °С в течение нескольких часов для оплавления и полимеризации пластмассы. В качестве материала, используемого для получе- ния псевдоожиженного слоя, часто применяют порошки на эпок- сидной основе. Основными факторами, влияющими на качество покрытия, яв- ляются время выдержки изделий в псевдоожиженном слое, высота слоя порошкообразного компаунда, давление или скорость пода- ваемого воздуха, амплитуда и частота вибраций. При чрезмерном разжижении порошка, т. е. при большом давлении воздуха, создает- ся низкая концентрация порошка в слое, что приводит к неравно- мерному покрытию. При очень низком давлении затруднительно вообще получить удовлетворительное «кипение» порошка. Роль вибрации в основном сводится к разъединению частиц, в результате чего уменьшается трение между ними, а восходящий поток газа поддерживает частицы во взвешенном состоянии. Немаловажное значение имеет также степень осушки подаваемого сжатого воз- духа. Влажность воздуха влияет на характер «кипения» слоя в ка- мере и в итоге на плотность упаковки частиц порошка в осажден- ном на приборе слое. 7.4. Защита силанированием Метод силанирования служит для защиты поверхности кремние- вых структур (рис. 7.12). В промышленности применяют в основном два метода получе- ния силановых пленок: 1) в процессе химического взаимодействия Рис. 7.11. Нанесение защитного покрытия в псевдоожиженном слое: 1 – ванна; 2 – нагретое изделие; 3 – пористая перегородка; 4 – псевдо- ожиженный порошковый полимер 210 раствора кремнийорганического мономера с водой; 2) из кремний- органических мономеров, полимеризующихся на поверхности по- лупроводников под действием тлеющего разряда. Рис. 7.12. Установка силанирования: 1 – центрифуга; 2 – ванна силанирования; 3 – ванны финишной промывки; 4 – ванны травления Сущность первого метода состоит в том, что кремнийорганиче- ская защитная пленка получается непосредственно на увлажненной поверхности кремния в результате реакции гидролиза органо-сила- новых соединений и последующей полимеризации образующихся силанов – водородных соединений кремния. Например, диметилди- хлорсилан гидролизуется в нестабильный диметилдигидросилан, а затем путем внутримолекулярной дегидратации переходит в си- локсановый полимер: (CH3)2SiCl + 2H2O  (CH3)2Si(OH)2 + 2HCl СН3 СН3 ׀ ׀ 2(CH3)2Si(OH)2  HО – Si – O – Si – OH + H2O ׀ ׀ CH3 CH3 211 Для этого структуру либо погружают в раствор силанов или их смесей, либо предварительно увлажненные структуры выдерживают в парах смеси силанов. Наибольшее распространение получил способ силанирования погружением структур в растворы. В качестве рас- творителей применяют серный эфир, бензол, ксилол и толуол. Процесс силанирования рассмотрим на примере обработки ар- матуры в растворе диметилдихлорсилана в толуоле. Раствор приго- тавливают в кварцевом стакане в соотношении: 1 ч. диметилди- хлорсилана и 9 ч. толуола. Срок хранения приготовленного раство- ра не более 10 мин, так как раствор теряет свои свойства в связи с тем, что толуол – летучий растворитель, в результате этого будет меняться состав раствора и его свойства. Температура раствора должна быть не более 20–22 °С. Арматуру с мезаэпитаксиальной структурой, окончательно про- травленную и промытую в деионизованной воде в специальной фторопластовой кассете, в которой она проходит травление, укреп- ляют на диске центрифуги и удаляют избытки влаги с кассеты и структуры центрифугированием. Кассету с арматурой после цен- трифугирования помещают в кварцевый стакан с раствором диме- тилдихлорсилана так, чтобы она была полностью покрыта раст- вором, и выдерживают в течение нескольких минут – время, в тече- ние которого происходит полное смачивание поверхности. Затем раствор сливают и в стакан заливают деионизованную воду. Через 15–20 мин воду сливают, арматуру перекладывают в кварцевые ло- дочки и помещают в вакуумный сушильный шкаф, предварительно нагретый до 180–200 °С. СН3 СН3 ׀ ׀ HC – Si – O – Si – OH + (CH3)2Si(OH)3  ׀ ׀ CH3 CH3 СН3 СН3 СН3 ׀ ׀ ׀  OH – Si – O – Si – O – Si – OH + H2O и т. д. ׀ ׀ ׀ СН3 СН3 СН3  212 В вакуумном шкафу при давлении не более 1,3310 Па арматуру выдерживают 2–3 ч, затем вынимают и помещают в специальную тару. Для оценки качества силанирования выборочно от партии про- веряют основные электрические параметры кристаллов и арматуры. Защитная силановая пленка очень тонка — 0,08 мкм, она хими- чески связана с кремнием и не только обеспечивает надежную адге- зию, но позволяет устранить некоторые структурные нарушения поверхности. Защитная пленка гидрофобна, обладает высокой газо- непроницаемостью и инертностью к различным химическим ре- агентам, термостойка – может выдерживать температуры до 300 °С. Метод силанирования имеет некоторые недостатки: защитная пленка состоит из молекул разных размеров; возможно укрупнение молекул в процессе полимеризации, что приводит к некоторой не- однородности пленок и может изменять их защитные свойства; при обработке кристаллов методом силанирования защитная пленка по- крывает весь кристалл, т. е. не только поверхности с р–n-переходом, но и омический контакт, что может являться причиной ухудшения качества пайки и сварки на последующих операциях. Кремнийорга- нический мономер – диметилдихлорсилан – применим только для силанирования непосредственно кристаллов или арматур с деталя- ми, покрытыми золотом; если же детали не покрыты золотом, то при гидролизе выделяется соляная кислота, которая взаимодейству- ет с материалами держателей, компенсаторов и выводов. Силановые пленки, получающиеся под действием тлеющего раз- ряда (второй метод), имеют хорошую адгезию к поверхности крем- ния. Толщина пленок увеличивается линейно в зависимости от вре- мени протекания реакции в камере, но данный метод не нашел ши- рокого применения, так как не отработаны отдельные операции. 7.5. Защита полупроводниковых кристаллов и активных компонентов ИМС стеклянными пленками сложного состава Еще одним способом, позволяющим существенно увеличить ста- бильность и надежность работы полупроводниковых устройств, яв- ляется защита поверхности р–п-перехода стеклом сложного состава. Наиболее широко этот способ применяется для защиты активных 213 компонентов в гибридных интегральных микросхемах, a также на приборах, герметизируемых пластмассой. Применение такого стабильного диэлектрика, как стекло, в каче- стве промежуточной защиты не только предотвращает сложную ми- грацию примесей к p–n-переходу, но, нанесенное поверх металличе- ской разводки, оно надежно предохраняет полупроводниковый при- бор или микросхему от механических повреждений и oт коррозии. Могут использоваться как легкоплавкие (бескислородные халь- когенидные), так и тугоплавкие (в основном боросиликатные) стек- ла. Слой защитного стекла наносят на чистую полупроводниковую поверхность, на слой окиси или пассивированную поверхность. При выборе стекла в качестве защитного покрытия исходят из того: – чтобы, во-первых, температурные режимы нанесения стекла не отражались на полупроводниковых структурах (например, при вы- соких температурах может происходить дополнительная диффузия, может уменьшиться время жизни неосновных носителей и т. д.); – во-вторых, термический коэффициент расширения не очень заметно отличался от термического коэффициента расширения по- лупроводникового материала. При толщине стеклянного покрытия около 1–1,5 мкм допускается различие в термических коэффициен- тах расширения не более чем в два раза. Стеклянное покрытие должно обладать достаточной химической устойчивостью к парам воды и не должно иметь реакционной спо- собности (реакции между стеклянными покрытиями и материалами выводов, омических контактов, токоведущих дорожек). Если стеклянное покрытие наносят на планарную структуру, предварительно защищенную окисной пленкой, то оно должно об- ладать стабилизирующим действием. Халькогенидные бескислородные стекла по сравнению с бороси- ликатными имеют то преимущество, что им присуще определенное геттерирующее свойство, т. е. они способны притягивать (погло- щать) вредные примеси на поверхности полупроводников. Кроме того, их можно наносить при довольно низких температурах. Существенным недостатком этих стекол следует считать боль- шую разницу в коэффициентах линейного расширения по отноше- нию к полупроводниковым материалам, что может приводить к воз- 214 никновению механических напряжений и малой стойкости покры- тия при циклических изменениях температуры. Процесс нанесения стекла может быть различным и определяет- ся типами наносимых стекол. Тугоплавкие стекла наносят в виде пластинок, бусинок, порошков, растворов с последующим оплавле- нием, легкоплавкие – методом погружения в расплав или вакуум- ным термическим распылением. Так, легкоплавкие стекла на основе As-Ge-Sе с коэффициентом линейного расширения 1,510–7 град–1 наносят в качестве защитной пленки на полупроводниковые структуры методом вакуумного рас- пыления. Технологический процесс вакуумного распыления стекла рас- смотрим на примере нанесения его на кремниевую пластину с меза- структурами (рис. 7.13), имеющими диффузный p–n-переход. Перед нанесением защитной пленки полупроводниковые пластины с р–n- переходом подвергают травлению в специальном составе и тща- тельно промывают высокоомной водой. Затем их помещают в ваку- умную напылительную установку (рис. 7.14) на подложку. В испа- ритель загружают халькогенидное стекло. При достижении давле- ния порядка 1,3310–3 Па включают ток нагрева испарителя. Темпе- ратура испарения этих стекол 530–570 °С. Рис. 7.13. Схема защиты стеклом диффузионных мезаструктур: а – кремниевая пластина с мезаструктурой до нанесения стекла; б – кремниевая пластина после нанесения стекла вакуумным распылением; в – кремниевая пластина после вскрытия контактных окон с помощью фотографии Рис. 7.14. Схема установки для нанесения стекла в вакууме: 1 – держатель; 2 – пластина со структурами; 3 – заслонка; 4 – колпак; 5 – испаритель 215 Распыление продолжается 2–3 мин. В первый момент распыле- ния полупроводниковые структуры закрывают заслонкой, чтобы на изделие не попали различные загрязнения. Испаряющееся стекло распыляется во всех направлениях и тонким ровным слоем осажда- ется на пластины кремния. Толщина слоя зависит от времени рас- пыления. В течение всего процесса в установке должно поддержи- ваться давление порядка 1,3310–3 Па, для того чтобы молекулы стек- ла не претерпевали соударений с молекулами остаточных газов при движении к подложке и чтобы их траектория на всем пути была прямолинейной. После напыления проводят термообработку при 250–300 °С в течение 30 мин при давлении 1,3310–2–1,3310–3 Па, а затем на воздухе в течение 2–3 ч при 220–250 °С. Основное преимущество данного метода – высокая чистота по- лученной защитной пленки, относительно простое оборудование и большие скорости нанесения, недостаток – трудность контроля состава покрытий. Для нанесения тугоплавких стекол на структуры с омическим контактом в промышленности применяют групповые методы остек- ловывания – метод седиментации и метод растворения керамики. Метод седиментации заключается в том, что с помощью центри- фуги на полупроводниковые структуры (пластины) наносят слой в виде суспензии частиц стекла (например в смеси уксуснокислого этила и изопропилового спирта) с последующим оплавлением в печи при температуре несколько ниже температуры размягчения стекла. Технологический процесс метода седиментации рассмотрим на примере защиты пластин с транзисторными структурами, на которые нанесен алюминиевый контакт. Пластину с транзисторными струк- турами помещают на дно стакана центрифуги пленарной стороной вверх. Затем стакан заполняют определенным количеством суспен- зии стекла. Под действием центробежной силы при центрифуги- ровании в течение 3–4 мин (3000–3500 об/мин) частицы стекла оса- ждаются на пластину, образуя тонкую порошковую пленку. Толщина пленки контролируется концентрацией и количеством взятой суспен- зии. Пластину с осажденным стеклом после слива жидкости подсу- шивают, затем слой порошка оплавляют при 510–520 С в течение 5–10 мин. Толщина стеклянной пленки 0,5–20 мкм. 216 Для получения однородных, свободных от дефектов пленок боль- шое значение имеют степень измельчения стекла и дисперсионная среда, в которой частицы стекла находятся во взвешенном состоянии. Стекло необходимо измельчать до частиц размером 0,1–0,5 мкм, а в качестве дисперсионной среды выбирать смесь органических жидкостей с сильно отличающимися диэлектрическими проницае- мостями, но с одинаковыми вязкостью и летучестью. Основными достоинствами метода седиментации являются его универсальность, т. е. возможность нанесения сплошной равномер- ной пленки стекла практически любого состава, достижение зале- чивания (благодаря плавлению) сквозных отверстий и пор и хоро- шее химическое сцепление покрытия с поверхностью подложки. В случае наличия промежуточного слоя SiO2 условия адгезии стек- лянной пленки улучшаются, что связано с частичным растворением стекла в SiO2; толщина слоя растворения составляет 0,04–0,08 мкм и зависит от времени и температуры оплавления. К недостаткам следует отнести определенную технологическую сложность тонко- го помола стекла и получения суспензии с размером частиц, как указывалось выше, 0,1–0,5 мкм и меньше. Наиболее часто в качестве защитных покрытий применяют туго- плавкие многокомпонентные стекла в системах PbO–Si02, PbO–B2О3– SiO2, PbO–B2O3–SiO2–А12О3, PbO–В2О3–SiO2–А12О3–ZnO с добав- ками TiO2, CuO и др. Они отличаются низкой проницаемостью для различных газов и малым коэффициентом диффузии щелочных ионов; в определенной области составы обладают весьма ценным сочетанием свойств – низкой температурой размягчения, малыми диэлектриче- скими потерями и хорошей устойчивостью по отношению к влаге. До- бавки А12О3 в свинцовые стекла способствуют снижению коэффици- ента линейного термического расширения без увеличения температу- ры размягчения. Замещение РbО на ZnO также снижает термический коэффициент расширения и увеличивает влагостойкость стекол. ТiO2 повышает влагостойкость, а СuО – химическую стойкость. Метод растворной керамики заключается в том, что на пластину наносят спиртоводный раствор, содержащий в необходимых соот- ношениях все компоненты покрытия в виде соединений, который при надевании разлагается до окислов, входящих в стекло. При по- следующем нагревании окислы оплавляются в тонкую, равномер- ную по толщине стекловидную пленку. 217 Метод растворной керамики, или, как его еще называют, пульве- ризации, применяют для защиты бескорпусных транзисторов с гиб- кими и твердыми выводами (шариковыми). Этим методом можно получить тонкую равномерную по толщине стеклянную пленку, он технологически более прост, чем метод седиментизации, не требует предварительной подготовки стекла (измельчение в порошок, при- готовление суспензии и т. д.), значительно сокращается длитель- ность производственного процесса нанесения и отжига стеклянной пленки, обеспечивает высокую чистоту процесса нанесения и рав- номерность покрытия поверхности сложного рельефа. Защитное покрытие наносят в два этапа. На первом этапе окис- лением создается буферный слой SiO2. На втором этапе наносят пленку стекла путем пульверизации его шихтного состава из фор- сунки с последующим оплавлением на воздухе при температуре 500 °С в течение 10 мин. Для предотвращения растрескивания стекла при оплавлении вы- бирают определенную скорость подъема температуры до заданного уровня, а затем ее снижают. Для получения сплошной и равномер- ной по толщине пленки стекла цикл нанесения и оплавления повто- ряется два раза. Суммарная толщина пленки составляет 1,5 мкм, а хи- мический состав некоторых стекол, применяемых для герметизации методом растворной керамики, следующий (мас. %): SiO2 – 6,6; В2О3 – 18,0; Al2O3 – 6,2; РbО – 63,8; ZnO – 5,4 или SiO2 – 23,5; В2О3 – 8,51; Аl2О3 – 2,49; РbО – 65,5. Принципиальная схема установки пульверизации приведена на рис. 7.15. Температура в камере для напыления поддерживается 80±5 С. Время напыления 1–2 мин. Рис. 7.15. Схема установки пульверизации 218 Существенным недостатком метода растворной керамики явля- ется то, что из-за ограниченной растворимости солей компонентов отдельные стекла, перспективные для защиты полупроводниковых структур, не удается получить в виде растворов. 7.6. Защита полупроводниковых структур пленками нитрида кремния Для получения хороших результатов перед нанесением стеклян- ных пленок на планарные структуры кроме SiO2 часто применяют дополнительную защиту пленками нитрида кремния. Нитридные пленки, полученные методом реактивного распыле- ния, катодного распыления и др., находят все большее применение для защиты блоков арматуры, структур с нанесенными омическими контактами в планарной и мезаэпитаксиальной технологии. Нитридами кремния называют соединения кремния с азотом. Та- кие соединения крайне неустойчивы: единственным прочным явля- ется бинарное соединение Si3N4. Пленки нитрида кремния получают различными путями. Для за- щиты на сборочных операциях пленки из нитрида кремния могут быть нанесены только при низких температурах преимущественно методом реактивного распыления в плазме. В основе этого метода лежит процесс выбивания атомов, положительных и отрицательных ионов при бомбардировке поверхности твердого тела положитель- ными ионами плазмы. Плазма представляет собой состояние ионизированного газа, при котором беспорядочное движение электронов (ионов) преобладает над направленным. Характерным ее признаком является высокая степень ионизации газа, в предельных случаях доходящая до пол- ной ионизации всех нейтральных частиц. Метод реактивного распыления в плазме состоит в том, что под- вергаемый распылению материал помещают в прианодную область разряда, где концентрация положительных ионов наибольшая. На электрод (мишень) подают отрицательный относительно плазмы потенциал (практически несколько сотен вольт) и только при этом начинается заметное распыление материала электрода. Принципиальная схема установки для реактивного плазменного распыления показана на рис. 7.16. 219 Рис. 7.16. Схема установки реактивного распыления нитрида кремния: 1 – мишень; 2 – анод; 3 – подвижный экран; 4 – подложка; 5 – колпак; 6 – основание корпуса; 7 – катод; 8 – кварцевая труба Установка состоит из основания, колпака с подколпачным уст- ройством, вакуумной и газовой систем и электрооборудования. Ос- нование представляет собой сварной металлический каркас. Сверху на нем размещен колпак с подколпачным устройством. Под ваку- умным колпаком 5 монтируются анод 2 и катод 7, служащие элек- тродами газового разряда, а также мишень 1. Большая площадь ми- шени обеспечивает равномерность получения пленок по толщине всей пластины. Подложка 4 служит для размещения кремниевых пластин или отдельных мезаструктур. Расстояние подложки от рас- пыляемого материала может регулироваться в пределах 70–80 мм. Для создания плазмы внутри рабочей камеры используют азот. При достижении давления порядка 1,3310–2–1,3310–4 Па включают ток катода. Термоэлектронный катод служит источником электронов. Вольфрамовая нить катода помещена в углубленный корпус, для того чтобы загрязнения от вольфрама не попадали в камеру распыления. На входе катода в камеру установлен кварцевый волновод, предна- значенный для направления потока электронов к расположенному напротив волновода аноду. После напуска азота высокой чистоты в камере поддерживается давление порядка 1,3310–1–1,3310–2 Па. На 220 анод подают постоянное напряжение, и во время процесса он имеет положительный потенциал. Электроны, выделившиеся с поверхно- сти катода на пути к аноду, разбивают при соударениях частицы газа на положительные ионы и электроны, которые, в свою очередь, также разбивают при соударении частицы газа. Таким образом, чис- ло ионизированных частиц газа постепенно увеличивается, что при- водит к образованию плазмы. Распыление материала мишени получается при подаче на нее высокого отрицательного относительно плазмы потенциала (поряд- ка нескольких сотен вольт). Под действием кинематической энер- гии положительных ионов, источником которых служит газовая плазма, происходит процесс выбивания свободных атомов или ионов с поверхности распыляемого кремния. Частицы кремния, выбитые с распыляемого материала, попадают в объем, наполненный азотом. Вследствие низкого давления азота в камере выбитые атомы распыляемого кремния, не претерпевая взаимодействия и сохраняя таким образом кинетическую энергию, движутся преимущественно в направлении, перпендикулярном по- верхности мишени, причем их средняя скорость зависит от энергии ударяющихся о распыляемый материал положительных ионов азо- та. Распыленные частицы проходят в результате диффузии через газ и осаждаются на поверхности защищаемых структур: частицы рас- пыленного кремния реагируют с азотом, образуя химическое со- единение Si3N4 (нитрид кремния). Отдельные частицы кремния, не успев прореагировать с азотом, могут достигать подложки и вызывать нарушение соотношения между этими компонентами, хотя вероятность этого мала. При не- больших скоростях роста пленки (20–200)10–4 мкм/мин атомы крем- ния, осевшие на поверхности подложки, могут успеть прореагиро- вать с азотом еще до нарастания нового слоя пленки; при повыше- нии скорости осаждения пленки возможность нарушения стехио- метрии будет возрастать. Поэтому важно выбирать оптимальные режимы напыления (плотность тока, давление азота, напряжение мишени, расстояние между мишенью и подложками). Нитрид кремния Si3N4 может образовываться и на распыляемом кремнии, а затем выбиваться с поверхности и переноситься к под- ложке уже в виде соединения. 221 Предварительно подложка подвергается очистке в разрядной плазме, а мишень распыляют при рабочем высоком напряжении для снятия слоев поверхностных загрязнений. Подложку закрывают по- движным экраном, на котором конденсируются распыленные загряз- нения поверхностных слоев. По окончании процесса снимают напря- жение, закрывают натекатель и выключают накал катода. Затем на- гнетают в систему воздух, поднимают колпак и вынимают продукцию. Качество полученных структур с нанесенным нитридным слоем оценивают с помощью измерения основных электрических парамет- ров и осмотра внешнего вида по контрольным картам. Пленка долж- на быть одноцветной, зеркальной, без видимого налета загрязнений и обладать высокой сплошностью и структурным совершенством. При работе на установке необходимо особенно следить за чисто- той подколпачного устройства. Через каждые 10–15 процессов сле- дует производить чистку установки, а обработку кварцевых деталей – через пять процессов. Все работы, связанные с загрузкой, необхо- димо выполнять в резиновых напальчниках. Электрические свойства пленок нитрида кремния, полученных методом реактивного распыления, следующие: диэлектрическая про- ницаемость – 5,5–6,5; удельное сопротивление 1013–1015 Омсм; элект- рическая прочность – 100 кВ/мм. Преимуществом методов реактивного распыления является то, что процесс протекает при невысоких температурах и, таким обра- зом, практически не происходит дополнительной диффузии, изме- няющей распределение примесей в полупроводниковом материале и параметров приборов. При реактивном методе стремятся полу- чить нитридные пленки с аморфной структурой, так как на границе аморфной пленки с полупроводниковыми материалами возникает меньшее напряжение, чем у кристаллической. Так как пленка нитрида кремния может быть нанесена с помощью распыления, а не получена путем выращивания за счет самого крем- ния, то она может служить и для защиты других полупроводниковых материалов, в том числе германия, арсенида галлия. Нитриды кремния отличаются огнеупорностью и кислотностью. Из разбавленных кислот на них реагирует только кремнефтористоводородная. Концентриро- ванная серная кислота при нагревании действует слабо. К недостаткам нитридных пленок можно отнести следующие: слои толщиной более 1 мкм имеют тенденцию к растрескиванию вслед- 222 ствие возникновения напряжений на границе между кремнием и нит- ридом кремния; молекулы газа, химически активированные разрядом, интенсивно адсорбируются слоем нитрида кремния, поэтому готовая пленка часто содержит большое количество атомов газа, что может вызвать сильные отклонения в структуре и свойствах слоев. Нитридные пленки в качестве дополнительной защиты необхо- димы в приборах, для которых важны стабильность при высоких температурах и радиационная стойкость. На некоторых сплавных структурах применяют окисные защит- ные слои. Их образуют с помощью сильных окислителей, например путем погружения этих структур в кипящую азотную кислоту с по- следующей выдержкой или в смесь азотной кислоты с плавиковой. Причем азотная кислота присутствует в избытке и процесс окисле- ния поверхности полупроводника преобладает над процессом уда- ления окисной пленки. Образующаяся пленка имеет темно-синий цвет, она достаточно плотная, однако ее стабилизирующие свойства очень чувствительны к режиму окисления, отклонения от которого могут ухудшать параметры приборов. В полупроводниковой технологии для защиты кремниевых и гер- маниевых транзисторов применяют также титанирование – пленки получают на основе окиси титана ТiO2. Сущность процесса титанирования состоит в том, что полупро- водниковую структуру путем окунания или воздействия парами сус- пензии покрывают одним из сложных эфиров (например, негидроли- зированным титановым эфиром) и выдерживают при повышенной температуре; в результате образуются прочные химически связанные с поверхностью полупроводника пленки двуокиси титана. 7.7. Защита структур методом обволакивания Метод обволакивания заключается в создании тонкой пленки полимерного материала путем обволакивания структуры каплей гер- метика. При растекании герметика под воздействием сил поверх- ностного натяжения получается сферическая форма. Для обеспече- ния механической прочности и герметичности структуры, как пра- вило, наносят несколько слоев герметизирующего материала с пред- варительным подсушиванием каждого слоя. Основным требовани- 223 ем к материалам (компаундам) для обволакивания является способ- ность их равномерно увеличивать вязкость. На рис. 7.17 показана многослойная арматура выпрямительного диода общего назначения, загерметизированного методом обвола- кивания. Рис. 7.17. Выпрямительный диод, загерметизированный методом обволакивания: 1 – кремниевая стуктура; 2 – вывод; 3 – силановая пленка; 4 – закрепляющий слой компаунда; 5 – герметизирующий слой компаунда Процесс герметизации полупроводниковых приборов методом об- волакивания состоит из следующих операций: приготовления обвола- кивающего компаунда, нанесения компаунда на арматуру, полимери- зации компаунда, контроля качества герметизирующего покрытия. После проведения процесса силанирования на структуру диода наносят слой защитного закрепляющего состава на основе триаце- татной электроизоляционной слабо пластифицированной пленки, которая растворяется в ледяной уксусной кислоте. Блоки арматуры загружают в специальные приспособления с зажимными устрой- ствами – клипсами (рис. 7.18) и стеклянной палочкой наносят од- ну каплю обволакивающего соста- ва, покрывая тонким слоем со всех сторон кристалл и выступы на вы- водах. Клипса с блоками армату- ры вставляется во вращающееся гнездо приспособления и выдер- живается не менее 10 мин. Вращение арматуры предотвращает сте- кание капли неотвержденного компаунда и дает возможность полу- чить корпуса равномерной толщины. В дальнейшем арматуру сушат при 160–180 °С в течение 1–2 ч в вакуумном сушильном шкафу Рис. 7.18. Кассета для закрепления блоков арматуры при нанесении компаунда 224 с давлением не выше 1,3310 Па. Аналогичную операцию повто- ряют несколько раз, последовательно чередуя процесс нанесения и сушки тринитроацетатной пленки до получения необходимого количества слоев, указанных в технологической документации. Герметизируюший материал представляет собой компаунд на основе эпоксидной кремнийорганической смолы СК-25 с наполни- телем – нитридом бора. Приготовленный компаунд вакуумируют при температуре 100 °С и давлении 1,3310 Па. Так как срок жизни жидкого компаунда ограничен, то компаунд приготавливают не- большими партиями. Большое внимание уделяется правильному соотношению составляющих компаунда, так как это сказывается на качестве загерметизированных этим компаундом приборов. Нанесение герметизирующего эпоксидного компаунда и сушка проводятся в тех же клипсах (рис. 7.18) и приспособлениях, что и при нанесении защитного закрепляющего состава. Каплю ком- паунда наносят на блок арматуры таким образом, чтобы он закры- вал закрепляющий состав и выступы на выводах. Отверждение компаунда производится при повышенной темпе- ратуре. После полимеризации компаунда приборы передают на сле- дующую операцию. Некоторые приборы рассматриваемой кон- струкции (см. рис. 7.17) покрывают дополнительно массой на осно- ве кремнийорганического электроизоляционного лака КО-989. После герметизации производят проверку электрических пара- метров приборов и контроль внешнего вида нанесенного герметика. Внешний вид контролируют под микроскопом или лупой. Не до- пускаются значительные выпуклости, впадины, царапины на герме- тизирующем покрытии, нарушающие габариты диода и обнажаю- щие слои из другого материала, отколы герметика около выводов, отслаивание (отлипание, щели) между герметизирующим покрыти- ем и выводами, изолированные пузыри в заливочной массе, обра- зующие сплошные цепочки. Метод герметизации полупроводниковых приборов обволакива- нием отличается простотой, обеспечивает высокую устойчивость приборов в условиях воздействия влажной атмосферы, но имеет ряд недостатков: трудность нанесения равномерного по толщине по- крытия, длительность технологического цикла и сложность механи- зации процесса. 225 7.8. Защита структур методом свободной заливки Метод защиты полупроводниковых структур заливкой применя- ется обычно для приборов мелких серий со сложной арматурой. Существует два метода заливки: во вспомогательные съемные фор- мы и в предварительно изготовленный корпус. Сущность метода защиты – герметизации – заключается в запол- нении жидким герметизирующим компаундом специальных форм или капсул, в которых размещены блоки арматур полупроводниковых приборов или микросхем. В качестве заливочных компаундов чаще всего используют жидкие компаунды на основе эпоксидных смол. Герметизация приборов и микросхем заливкой в капсулу (кор- пус) характеризуется тем, что после отверждения герметизирующе- го компаунда эти капсулы (корпус) остаются частью прибора или микросхемы. При капсулировании микросхема помещается в кор- пус выводами наружу (рис. 7.19). Свободный торец капсулы и вы- вода заливают компаундом. Основным условием этого метода гер- метизации является хорошая адгезия заливочного компаунда к ма- териалу корпуса. Корпус может иметь любую геометрическую форму и таким образом может быть использован для герметизации различных типов полупроводниковых приборов и микросхем. Наиболее распространен в промышленности метод герметизации заливкой во вспомогательные съемные формы. Рис. 7.19. Корпус пенального типа, загерметизированный методом заливки: 1 – плата с пленочной микросхемой; 2 – выводы; 3 – кожух; 4 – кассета; 5 – заливочный компаунд 226 В зависимости от конструкции прибора или микросхемы приме- няют два способа заливки во вспомогательные формы. Первый способ – заранее заполняют пустоты в литьевой форме, а затем в нее погружают ту часть прибора или микросхемы, на ко- торой смонтирован полупроводниковый элемент (рис. 7.20). Рис. 7.20. Схема технологического процесса герметизации методом заливки (погружение прибора или микросхемы в заполненную компаундом форму): а – лента с полупроводниковой структурой; б – помещение ленты с кристаллами в форму; в – изъятие из формы; г – обрезка ленты-носителя Предварительно кристалл с переходом монтируется на металли- ческой рамке-держателе, а затем ее помещают в заливочную форму таким образом, чтобы кристалл с выводами располагался в цен- тральной части рабочего углубления заливочной формы, в которой залит жидкий герметизирующий компаунд. Полимеризация ком- паунда может происходить как при комнатной, так и при повышен- ной температуре. После отверждения компаунда металлическую рамку вынимают из формы и разделяют на отдельные части, кото- рые представляют собой готовые герметизированные приборы. Второй способ – жидким компаундом заполняют пустоты пред- варительно нагретой литьевой формы с находящимися в ней блока- ми арматуры (рис. 7.21). Рассмотрим типовые технологические операции заливки. Важной операцией является приготовление компаундов для залив- ки. Так, для получения эпоксидных компаундов компоненты, взятые в определенных соотношениях, тщательно перемешивают, выдержи- вают при определенных температурах и перед заливкой смешивают а б в г 227 с отвердителем. Во избежание образования пузырей воздуха и раковин в корпусе, как правило, при приготовлении жидких заливочных ком- позиций применяют их вакуумирование (иногда достаточно нагреть компаунд на 20–30 °С ниже температуры его полимеризации). В зави- симости от применяемого герметизирующего компаунда литьевые формы могут быть из пластмасс, силиконовой резины, металла или комбинации этих материалов. Резиновые формы перед заливкой обез- жиривают путем их вакуумирования или нагревания. Рис. 7.21. Схема технологического процесса герметизации методом заливки (нагретая литьевая форма с загруженными приборами заполняется компаундом) 228 Металлические и пластмассовые формы перед заливкой также прогревают при определенной температуре и смазывают антиадге- зионным составом-смазкой – обычно раствором кремнийорганиче- ских каучуков. Нагрев загрузочных форм необходим для повыше- ния текучести компаунда. Герметизируемая арматура на металлической рамке-держателе помещается в рабочее гнездо нижней матрицы заливочной формы и плотно прижимается верхней матрицей. В верхней части заливоч- ной формы имеются специальные отверстия, а внутри – система каналов для подачи герметизирующего компаунда в рабочие гнезда. Формы заполняются компаундом с помощью специального устрой- ства или вручную дозирующим шприцем. Наполненные формы вы- держиваются для предварительного отверждения при повышенной температуре от 70 до 170 °С (в зависимости от применяемого ком- паунда и конструкции изделий). После предварительного отверждения компаунда заливочные формы охлаждаются и из них извлекаются металлические рамки с загерметизированными в пластмассу приборами. Затем приборы на металлических рамках проходят дополнительную термообработ- ку до полного отверждения пластмассы (полной полимеризации), после чего снимается облой и рамка с приборами разделяется на отдельные части, которые представляют собой готовые загермети- зированные приборы. Контроль качества герметизации проводится с помощью лупы или микроскопа. Не допускаются значительные сколы, раковины и другие дефекты корпуса, обнажающие нижележащие слои, зате- кание заливочной массы и вывода на большую площадь, чем указа- но в технической документации. С целью объективной отбраковки приборов по внешнему виду используются специально подобран- ные эталонные образцы. Качество заливки определяется не только выбором соответству- ющего компаунда, но и оптимальным технологическим режимом, т. е. температурой и длительностью отверждения, соотношением количеств смолы, отвердителя и наполнителя, конструкцией литье- вой формы и другими факторами. На рис. 7.22 показана полупроводниковая диодная матрица, за- герметизированная заливкой. 229 Рис. 7.22. Диодная матрица, загерметизированная пластмассой: а – до герметизации; б – после герметизации; 1 – пластмассовый корпус; 2 – защитное покрытие; 3 – полупроводниковая структура; 4 – вывод Наиболее часто встречающиеся отклонения от технологического режима, их возможные причины и пути устранения приведены в табл. 7.3. Таблица 7.3 Виды брака и способы его устранения при герметизации методом свободной заливки Виды брака Причины брака Способ устранения брака 1 2 3 Заливочная мас- са остается жид- кой (не твердеет) или очень мяг- кой и клейкой Слишком низкая темпе- ратура отверждения или недостаточная длитель- ность процесса отверж- дения Неточное соотношение компонентов смеси или плохое их смешивание Привести температуру сушиль- ной камеры и длительность процесса отверждения в соот- ветствии с технологической документацией Тщательно перемешать ком- поненты а б 230 Окончание табл. 7.3 1 2 3 Отделение пластмассы по выводам Загрязнение поверхности маслами; окисление по- верхности металличе- ских деталей изделий Тщательно очистить поверх- ность изделия перед заливкой Пузыри или по- ры на поверхно- сти Недостаток выбранного компаунда для гермети- зации или технологии его приготовления Вакуумировать компаунд до заливки; использовать более медленную систему отвержде- ния или более низкую темпе- ратуру полимеризации; произ- вести предварительный нагрев компаунда и формы с гермети- зируемым изделием для умень- шения вязкости компаунда; улучшить конструкцию зали- вочной формы для обеспече- ния выхода воздуха Шероховатая или пятнистая поверхность Шероховатая поверх- ность заливочной формы Произвести очистку или по- лировку заливочной формы Трещины при отверждении Заливочный компаунд отвержден неполностью Слишком высокая темпе- ратура полимеризации Увеличить время отверждения Снизить температуру полиме- ризации, т. е. привести в соот- ветствие с технологической документацией Метод герметизации полупроводниковых приборов и микросхем заливкой отличается простотой, не требует значительных затрат, так как используются довольно простое оборудование для дозиро- вания компаунда и дешевые заливочные формы. Кроме того, при герметизации микросхем (особенно гибридных) свободная заливка компаунда без давления снижает возможность обрывов электрод- ных выводов (30–50 мкм). Недостатки этого метода связаны с при- менением заливочных компаундов и относительно невысокой про- изводительностью. 231 8. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ СБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА 8.1. Характеристика заключительных операций Заключительные операции сборочного производства выполня- ются после того, как загерметизированный прибор или микросхема прошли весь комплекс технологических испытаний и измерений, т. е. прибор фактически изготовлен и может быть отправлен потре- бителям. Но собранный и загерметизированный прибор, особенно корпус и выводы, необходимо защитить от внешних воздействий, отмаркировать и подготовить выводы, если это необходимо, для пайки в аппаратуре. К заключительным операциям полупроводникового производства обычно относят окраску, лакировку, маркировку, лужение и рихтовку выводов, нанесение защитных покрытий на микросхемы или полупро- водниковые приборы гальваническим методом, упаковку изделий. Для защиты приборов и микросхем от внешних воздействий при эксплуатации в различных условиях применяют окраску и (или) ла- кировку корпусов приборов и лужение горячим способом, а также гальванические покрытия всей конструкции приборов. Наиболее часто собранные приборы покрывают сплавом олово-висмут. Раз- работанные электролиты позволяют получать плотные светло-серые осадки с содержанием висмута до 5 %. Коррозионная стойкость осажденного сплава незначительно отличается от коррозионной стойкости олова. Для защиты приборов, работающих в жестких климатических условиях, применяют сплавы олово-никель и олово-кадмий. Луженые и золоченые выводы полупроводниковых приборов и микросхем хорошо смачиваются припоем и хорошо паяются при монтаже в аппаратуре, что является необходимым требованием к конструкциям приборов и микросхем. В зависимости от специфических особенностей работы прибора и конструкции иногда защиту металлических деталей от внешних воздействий и обеспечение требований надежного контакта прово- дят при изготовлении деталей корпусов, т. е. до сборки приборов. Например, металлические детали многих СВЧ-диодов покрывают тонким слоем золота. 232 Для защиты от коррозии основного металла золотые покрытия должны быть практически непористыми или иметь толщину поряд- ка 12–15 мкм. Пористость золотых покрытий зависит как от толщи- ны слоя, так и от характера основы или подложки, методов нанесе- ния золота и электролитов. Маркируют полупроводниковые приборы и микросхемы для обо- значения типа приборов и микросхем, даты изготовления, товарно- го знака завода-изготовителя и знака (клейма) отдела технического контроля, подтверждающего годность данных изделий. Окрашенные и отмаркированные приборы и микросхемы поме- щают в специальную упаковочную тару, которая обеспечивает со- хранность изделий от механических повреждений при транспорти- ровке. Обычно приборы и микросхемы упаковывают в пластмассо- вые или картонные коробки, разложив их в специальные вкладыши (укладки), где каждое изделие помещено в отдельное гнездо, чтобы не было перемещений. На рис. 8.1 изображен полиэтиленовый вкла- дыш с загруженными микросхемами. При упаковке между крышкой и вкладышем прокладывают гофрированный картон или поролон. Коробки с приборами закрывают крышками и оклеивают бандеро- лями, на которых обозначены тип приборов и их количество. Полу- проводниковые приборы малых габаритов укладывают в полиэти- леновые ленты, состоящие из отдельных карманов, которые завари- ваются на сварочной машине для пластмасс. Рис. 8.1. Полиэтиленовый вкладыш с загруженной микросхемой: 1 – вкладыш; 2 – микросхема 8.2. Окраска, лакировка и маркировка Окраска. Операция окраски полупроводниковых приборов и мик- росхем является одной из основных заключительных операций по- лупроводникового производства. 233 Окрашивают микросхемы и полупроводниковые приборы для за- щиты корпусов от внешних воздействий, в первую очередь от корро- зии и от воздействия светового излучения, которое вызывает появле- ние дополнительных носителей тока в структурах и может изменить нормальный режим работы изделия. Кроме того, окраска применяется для придания полупроводниковым изделиям хорошего внешнего вида. Выбор лакокрасочных материалов для покрытия корпусов опре- деляется прежде всего: – условиями эксплуатации полупроводниковых приборов и мик- росхем (умеренный или тропический климат, температура окружа- ющей среды и пр.); – максимальной температурой, до которой можно нагревать по- лупроводниковые устройства при сушке лакокрасочных покрытий; – требованиями, предъявляемыми к внешнему виду окрашивае- мых изделий; – материалом поверхности, подлежащей покрытию. Сами лакокрасочные покрытия должны обладать удовлетворитель- ной механической прочностью и высокими адгезионными свойствами к покрываемому материалу корпусов (никелю, ковару, стеклу, стали, латуни, олову), минимальной влагопоглощаемостью, высокой влаго- стойкостью, светонепроницаемостью, хорошими электроизоляцион- ными свойствами, теплостойкостью и морозостойкостью; жизнеспо- собность лакокрасочного материала после добавления отвердителя не должна быть кратковременной, т. е. жизнеспособность должна быть в пределах необходимого времени для технологических операций. Сущность технологического процесса окраски заключается в нане- сении тонкого слоя краски (или грунта, а затем краски) на корпус по- лупроводникового прибора или микросхемы с последующей сушкой. Основными лакокрасочными материалами являются грунты ФЛ-ОЗКК и ФЛ-ОЗК и эмали ПФ-163, ЭЭ-341-1, ЭП-716, ЭП-933, ЭП-288, НЦ-11. Грунты ФЛ-ОЗК и ФЛ-ОЗКК имеют фенолформальдегидную ос- нову, растворителем ее является ксилол или сольвент каменно- угольный, или смесь уайт-спирита с ксилолом или сольвентом в соотношении 1 : 1; рабочая вязкость по ВЗ-4 при 20 °С составляет 18–20 с; грунт ФЛ-ОЗК коричневого, а ФЛ-ОЗКК – красно-корич- невого цвета. Основные свойства некоторых эмалей приведены в табл. 8.1. 234 Таблица 8.1 Основные свойства эмалей для окраски корпусов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем Марка Цвет Основа Растворитель или разжижитель Рабочая вязкость по ВЗ-4 при 20 С, с Режим сушки Темпе- ратура, оС Время, ч, не более ЭЭ-341-1 Чер-ный Эпок- сидная Смесь этилцел- лозольва 80 % и ацетона 20 % 16–18 80–120 4 ЭП-716 Разный То же Смесь ксилола с этилцеллозоль- вом в соответст- вии 7 : 3 14–16 20–25 или 70 24 1 НЦ-11 То же Нитро- целлю- лозная № 647 17–23 20–25 1 Примечание. ЭЭ-341-1 – термостойкое покрытие, влагопоглащаемость низкая, вла- гостойкость высокая (после 24-часового пребывания в воде оно не изменяется). Эмаль наносят без грунта по стали, ковару, никелированным поверхностям, стеклу, олову окунанием и кистью. ЭП-716 – влаго- и атмосферостойкое покрытие, устойчиво при эксплуатации в условиях сухого тропического климата; пленки механически прочны и достаточно эластичные, обладают хорошей адгезией, твердостью; наносят по грунту распылением. НЦ-11 – атмосферостойкое покрытие, устойчиво к периодическому воз- действию минерального масла, бензина и воды при нормальной температуре. Пленки горючие, глянцевые, обладают высокой декоративностью. НЦ-11 стойко к одновре- менному воздействию тропической влажности и повышенной температуры (тропиче- ский климат); наносят по грунту распылением, окунанием, кистью. Технологический процесс окраски полупроводниковых приборов и микросхем включает в себя подготовку деталей к окраске (обез- жиривание, промывка), процесс грунтования, окраску, сушку и кон- троль качества окрашенной поверхности. Перед окраской поверхность корпусов изделия тщательно обез- жиривают в органических растворителях: обычно или кипятят в че- тыреххлористом углероде в течение 10–15 мин, или промывают в толуоле или ацетоне. Сушку производят в вытяжном шкафу до полного удаления растворителя. 235 Как уже указывалось выше, в полупроводниковой промышленно- сти применяют в основном два вида грунтов: ФЛ-ОЗК и ФЛ-ОЗКК; перед употреблением в них добавляют 5 % нефтяного сиккатива № 63 или № 64. Приборы и микросхемы, покрытые грунтами, сушат в сушильных шкафах или сушильных установках при температуре 100–150 °С в течение 0,5–2 ч в зависимости от материала поверхно- сти корпусов, на которую накладываются грунты. Отдельные типы полупроводниковых приборов и микросхем подвергают окраске без предварительного грунтования. Существует много различных способов окраски полупроводни- ковых приборов и микросхем, основные из них – окунание, струй- ное обливание, пульверизация и окраска кистью. Наиболее простым является способ окраски корпусов кистью. Для примера рассмотрим подробно технологический процесс окрас- ки эмалью ПФ-163 выпрямительных диодов общего назначения. Рабочий раствор эмали перед применением тщательно размешива- ют и разливают в тару. На этой операции применяют небольшие электродвигатели, которые устанавливают на рабочем столе с вы- тяжкой. На валу якоря электродвигателя приспособлена цанга для крепления выводов окрашиваемых приборов (в данном случае дио- дов). Диод, подлежащий окраске, вставляют в цангу и включают электродвигатель. Кисточкой, смоченной эмалью, окрашивают вра- щающийся диод. Затем его вынимают из цанги и устанавливают на специальную подставку, на которой вся партия окрашенных прибо- ров отправляется на сушку. Рабочий раствор эмали во время работы тщательно перемешивают стеклянной палочкой; загустевший рас- твор эмали необходимо разбавить ксилолом. Для окраски методом окунания применяют специальные приспо- собления (рис. 8.2). Шпиндель 2 приводится во вращение электро- двигателем. Полупроводниковые приборы (транзисторы) 5, подле- жащие окраске, помещают в многоместной кассете 3, которая спе- циальным устройством закрепляется на шпинделе станка. Кассету с приборами окунают в краску, приподнимая сосуд 4 с краской, за- тем включают шпиндель. При вращении шпинделя лишняя краска удаляется с приборов. Через определенное время кассету останав- ливают, сосуд 4 с краской опускают на стол, а кассету с окрашен- ными приборами снимают со шпинделя и передают на сушку. 236 Рис. 8.2. Окраска приборов и микросхем методом окунания: 1 – электродвигатель; 2 – шпиндель; 3 – многоместная кассета с закрепленными приборами; 4 – сосуд с краской; 5 – окрашенные приборы Метод струйного обливания использован в основном в автоматах покраски. Окраска производится за счет струйного обливания эма- лью из штуцера при движении диодов на транспортной цепи. Краска перекачивается насосом. Излишки краски стекают в воронку. Окра- шенные приборы поступают на следующую операцию – сушку. Недостатком струйного обливания является возможность обра- зования подтеков и наплывов. Для снятия лишней краски изделия «обкатывают», пропускают через туннели с парами растворителя, последние задерживают улетучивание растворителей из нанесенно- го слоя и позволяют избежать преждевременного загустения лако- красочного материала. Широко применяется и метод пульверизации – окрашивание изде- лий с помощью ручных или автоматических листолетообразных крас- кораспылителей. Этим высокопроизводительным методом можно окрашивать полупроводниковые приборы и микросхемы в корпусах различной формы. Окрашивают изделия в специальной камере, обору- дованной внешней вентиляцией. Изделия помещают в кассету, которая удерживает их и защищает места, не подлежащие окраске. Недостатками метода являются большие потери лакокрасочного материала (до 50 %) на распыление в окружающем воздухе («тума- нообразования») и тяжелые условия работы. Окрашенные изделия сушат в сушильных шкафах или в установках инфракрасной сушки, 237 которые представляют собой туннельные конвейерные печи. Режим сушки окрашенных изделий выбирают в зависимости от типов полу- проводниковых изделий и материалов корпусов, термостойкости их узлов и типа эмали. Температура сушки 60–150 °С, время 0,5–4 ч. После окраски и сушки изделия подвергают 100%-му контролю по внешнему виду. Лакокрасочное покрытие на изделии должно быть равномерно распределено, без потеков, больших наплывов и морщин. Не допускается на изделиях непрокрашенных мест, тре- щин, отслаивающейся краски, царапин, пузырей, вздутий и посто- ронних включений под слоем краски. Изделия, забракованные при контроле качества окраски, отдают на перекраску, предварительно сняв с них лакокрасочное покрытие. Свеженанесенную эмаль или грунт рекомендуется снимать рас- творителем подлежащего смывке лакокрасочного покрытия. Снятие высушенного покрытия эмали или грунта рекомендуется произво- дить при помощи специальных смывок или смеси органических растворителей. Так, например, лакокрасочное покрытие с диодов, окрашенных эмалью ПФ-163, снимают смесью толуола, этилцелло- зольва, аммиака в соотношении 1 : 1 : 0,25. После удаления покры- тия приборы промывают под сильной струей воды, ополаскивают четыреххлористым углеродом и сушат. Маркировка. Технологический процесс маркировки полупровод- никовых приборов и микросхем с помощью красок состоит из опе- раций нанесения маркировочных знаков на корпуса приборов и по- следующей сушки нанесенного клейма. Пример маркировки инте- гральной микросхемы приведен на рис. 8.3. Рис. 8.3. Пример маркировки микросхемы: а – развертка; б – пример шифра; 1 – шифр микросхемы; 2 – товарный знак; 3 – месяц и год изготовления а б 238 Маркировку на полупроводниковые приборы и микросхемы на- носят печатным способом ручными приспособлениями, а также на автоматах и полуавтоматах в зависимости от количества изготовля- емых приборов, размера шрифта, маркировочных знаков, конструк- ции и размера корпусов. Маркировочные краски должны обладать хорошими печатными и пишущими свойствами, обеспечивающими укрывистость и чет- кость маркировки, и должны иметь хорошую адгезию к маркируе- мой поверхности. У отдельных полупроводниковых приборов, имею- щих очень малые габариты, не представляется возможным отмар- кировать корпус. В этих случаях маркировочные знаки проставляют на бумажных этикетках, которые при упаковке вкладывают в одну ячейку с прибором. На полупроводниковых приборах и микросхемах в пластмассо- вых корпусах маркировочные знаки получаются при отливке их, так как в гнездах заливочных форм или форм для опрессовки выбиты необходимые маркировочные знаки. В интегральных микросхемах и полупроводниковых приборах применяют маркировочные краски БМ, ЧМ, СН, КН, ЭП-572, МА-514 и др. Технология нанесения маркировочных знаков проста. Ее исполь- зуют в механизированных приспособлениях и автоматах маркиров- ки. Клише с маркировочными знаками вставляют в рамку маркиро- вочной машинки и, приводя в движение резиновые валики, наносят на клише краску. Клише прижимается к резиновой подушке и на ней получают четкий отпечаток обратного изображения. Корпус прибора прижимают к резиновой подушке и тем самым переносят на него изображение маркировки. В случае маркировки цилиндрической поверхности корпус при- бора необходимо прокатать по отпечатку клише, отмаркированные изделия сушат, соблюдая режим, соответствующий технологиче- ской документации. Маркировочные обозначения после полного высыхания краски должны быть механически прочными, не долж- ны стираться, растрескиваться и отслаиваться. Не допускаются про- светы по толщине отпечатка, разрывы. Если маркировочные обозначения не удовлетворяют предъяв- ленным к ним требованиям, то свеженанесенные обозначения необ- ходимо стереть чистой сухой или смоченной в спирте тканью, а вы- сохшие обозначения смыть ацетоном (если они нанесены непосред- 239 ственно на металлические или на стеклянные поверхности) или специальными составами из смеси органических растворителей (ес- ли маркировка производилась по лакокрасочному покрытию). В по- следнем случае вместе с маркировкой снимается лакокрасочное по- крытие, после этого изделия повторно красят и маркируют. Лакировка. Назначение лакировки в основном то же, что и окрас- ки, т. е. защита корпусов полупроводниковых приборов от корро- зии; кроме того, лаковой пленкой закрывают маркировочные знаки для повышения стойкости маркировки. Лакируют как окрашенные корпуса приборов и микросхем, так и неокрашенные. В полупроводниковой промышленности для лакирования наиболь- шее распространение получил лак УР-231. Он представляет собой раствор алкидноэпоксидной смолы Э-30 в органических раствори- телях. Выпускается в виде двух компонентов: полуфабриката УР-231 и 70%-го раствора уретана в циклогексаноне. Компоненты смеши- вают непосредственно перед употреблением. Лак наносят тонким сло- ем на твердую поверхность корпусов приборов или микросхем. Рас- творитель улетучивается при сушке, а лаковая поверхность затверде- вает, образуя механически прочную, гладкую, блестящую пленку. Полупроводниковые приборы и микросхемы, покрытые лаком УР-231, могут работать в условиях тропического климата. Для до- полнительной защиты маркировки применяют также эпоксидный лак Э-4100. 8.3. Лужение выводов горячим способом В полупроводниковом производстве применяют два способа облуживания выводов: погружением и волной припоя. Для лужения выводов обычно употребляют в полупроводниковой промышленно- сти свинцово-оловянистые припои. В качестве флюсов используют спиртовой или скипидарный раствор канифоли или раствор хлори- стого цинка. Наиболее распространенным способом облуживания выводов является погружение в ванну с припоем. Процесс может быть руч- ным и автоматизированным. Предварительно отфлюсованные вы- воды транзисторов, диодов или микросхем медленно погружают в припои и через небольшой промежуток времени вынимают из не- го. Преимуществом данного способа облуживания является то, что 240 сила тяжести и температура припоя определяют его количество, оставшееся на детали. Если оно превышает допустимые пределы, то излишний припой можно сбросить, слегка встряхивая деталь после изъятия ее из ванны. Поверхность ванны припоя необходимо непрерывно очищать. Слой загрязнений обычно удаляют несмачивающимся материалом, который выдерживает рабочие температуры пайки, не растворяясь в припое и не загрязняя его (керамика, нержавеющая сталь). Поверх- ность жидкого припоя можно поддерживать чистой не только не- прерывной очисткой, но и защитой ее слоем жидкости (например, глицерина) или газа (например, азота). На рис. 8.4 изображено приспособление для лужения выводов микросхем и показана схема лужения выводов в ванне с припоем ПОС-61. Ванна должна быть сконструирована таким образом, что- бы ее дно было нагрето сильнее стенок, и тогда благодаря конвек- ции будет происходить непрерывное перемешивание припоя. При этом достигается высокая степень однородности припоя. Качество и однородность лужения в значительной степени зависят от чисто- ты припоя в ванне. Рис. 8.4. Облуживание выводов микросхем: 1 – ванна с припоем; 2 – приспособление для облуживания выводов; 3 – микросхема Облуживание выводов волной припоя относится к числу автома- тических способов. Насос непрерывно накачивает жидкий припой 241 в установленное под углом к горизонту сопло, и струя образует сво- его рода волну, через гребень которой проводят транзисторы или микросхемы. Такой способ облуживания выводов обладает многи- ми достоинствами. Движение припоя по поверхности выводов, под- лежащих смачиванию, значительно уменьшает время облуживания. В гребень непрерывно подается свежий припой, таким образом пре- дотвращается контакт выводов со шлаком, плавающим на поверх- ности, и устраняется необходимость в непрерывном очищении при- поя. Кроме того, флюс и его остатки, смываемые с выводов и обыч- но остающиеся сверху ванны, уносятся припоем в специальный резервуар, так что они уже не могут контактироваться с выводами последующих транзисторов или микросхем. Припой, приходящий в контакт с выводами изделий, имеет всегда постоянную темпера- туру, которую легко контролировать и поддерживать. 242 9. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ СБОРКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИС 9.1. Системы управления процессами сборки полупроводниковых приборов и ИС В оборудовании сборки ИС используются системы управления централизованные, иерархические, распределенные (использующие различные управляющие устройства от комбинационных схим до микропроцессоров). Их отличительной особенностью является боль- шое количество преобразований систем координат (пространствен- ная, в которой расположен объект, механическая система координат привода, пространственная система после преобразования изобра- жения объекта, электрическая система ТВ датчика, электрическая система после дискретизации и квантования видеосигнала и т. д.). 9.1.1. Структурные схемы системы управления Обобщенная структурная схема системы управления сборочной установкой показана на рис. 9.1. Датчики Исполнительные устройства системы управления Программа перехода на новый режим Определение условий для изменения режима Определение условий выполнения изменения режима Внешнее воздействие Определение текущего режима Рис. 9.1. Обобщенная структурная схема управления 243 Система управления постоянно получает информацию о значе- ниях параметров, поступающих с датчиков, расположенных на объ- екте управления. На основе анализа этих значений система управ- ления определяет текущий режим работы объекта. Кроме того, бла- годаря этому анализу и наличию внешних сигналов о желаемом изменении режима система управления выявляет необходимость в изменении режима объекта и проверяет технологическую воз- можность требуемого изменения режима. Если имеются условия для организации смены режима, то система управления переключа- ется на выполнение программы смены режима и реализует ее. В про- цессе выполнения программы перехода система управления может при необходимости контролировать реализацию программы и воз- можность дальнейшего ее выполнения. Системы управления сборочного оборудования строятся по цен- трализованному или иерархическому принципу. В первом случае имеется только одно устройство управления, например ЭВМ обще- го назначения, которое выполняет все функции управления в уста- новке от реализации общего алгоритма до специфических цикло- грамм отдельных узлов. В такой системе все исполнительные уст- ройства автономно функционировать не могут и являются пассив- ными. Пример такой системы управления установкой присоедине- ния проволочных выводов дан на рис. 9.2. Устройство управления анализирует состояние датчиков, клави- атуры управления, определяет внутреннее состояние и перемещает координатные приводы в заданную позицию с требуемой харак- теристикой движения. Для этого коммутируются фазные обмотки шаговых двигателей в режимах разгона, постоянной скорости и торможения двигателя. В заданные по циклу моменты времени включаются и выключаются электромагниты, выполняющие раз- личные функции. Все это требует достаточно большого быстродей- ствия устройства управления, зависящего в первую очередь от ско- ростей перемещения двигателей или от частоты коммутации их фазных обмоток. Основным достоинством такой системы является компактность – минимальное количество аппаратуры и программного обеспечения (из-за отсутствия различных протоколов обмена между устройства- ми, имеющими собственное программное обеспечение) для управ- ления сборочной установкой. 244 Рис. 9.2. Центрированная структурная схема управления установкой 245 Однако необходимость высокого быстродействия устройства управления для высокопроизводительных установок, имеющих четыре и более координатных привода с необходимой частотой коммутации фаз более 10 кГц и выполняющих при этом различные другие опера- ции, например преобразование координат, контроль величины пере- мещений, привела к тому, что централизованные системы управления в сборочном оборудовании практически не используются. Подавляющее большинство систем управления сборочных уста- новок имеет иерархическую структуру, т. е. исполнительные устрой- ства, реализующие сложные функции, выполняются активными с собственной системой управления, более того, зачастую их реали- зуют в виде модулей (под модулем понимается устройство, облада- ющее функциональной полнотой и конструктивной завершенно- стью). По количеству аппаратуры иерархическая система управле- ния проигрывает централизованной, и ее основное достоинство – высокое быстродействие, т. е. система управления своим быстродей- ствием не ограничивает производительность сборочных установок. Пример иерархической структурной схемы системы управления установкой присоединения проволочных выводов с линейными ша- говыми двигателями дан на рис. 9.3. Устройства управления установкой и координатными приводами выполнены на основе микропроцессора К580ВМ80. Они реализуют функции преобразования координат, интерполяцию перемещения инструмента по трем координатам для формообразования прово- лочной перемычки, формирование траектории перемещения каждо- го из линейных шаговых двигателей, компенсацию статической по- грешности позиционирования координатных приводов, осуществ- ление диалоговой связи с оператором для гибкой и оперативной перестройки режимов работы механизмов и узлов установки и др. Устройства управления сборочным оборудованием имеют раз- личную техническую базу и представляют собой цикловые схемы на базе стандартных функциональных элементов, программно-логи- ческие на основе микропрограммного управления, программно-вы- числительные на основе микропроцессоров и микроЭВМ, а также ряд простейших специальных вычислителей, предназначенных для преобразования координат. 246 Рис. 9.3. Иерархическая структурная схема управления установкой е 247 Рассмотрим обобщенную структурную схему системы управле- ния сборочной установки (рис. 9.4) (конкретные установки могут не иметь отдельных узлов и блоков). Центральный контроллер уста- новки выполняет функции управления, реализует циклограмму ра- боты механизмов сборки и обеспечивает связь с автономными уст- ройствами управления. Связь с датчиками и исполнительными механизмами осуществляется через устройство сопряжения конт- роллера, поэтому для каждой конкретной установки она будет отли- чаться как по количеству цепей, так и по электрическим сигналам, подаваемым по этим цепям. Для электромагнитов, например, необ- ходим определенный ток для их срабатывания, а сигнал с датчика Холла может составлять доли милливольт, если в датчике отсут- ствует предварительный усилитель. Режимы работы установки задаются с клавиатуры управления, связь которой с контроллером может осуществляться по нестандарт- ному каналу, поскольку в каждой установке имеются различия как в режимах, так и в функциях, выполняемых в этих режимах. Поэтому данная часть программного обеспечения в каждой установке также будет оригинальной. Применение в этих условиях универсального канала связи влечет за собой значительное усложнение программно- го обеспечения, осуществляющего обмен, что нельзя признать раци- ональным. По этим же причинам редко используется универсальный интерфейс типа ИРПР или ИРПС с ультразвуковым генератором, терморегулятором, блоком формирования шарика и координатными приводами. Такие устройства могут иметь упрощенный, стандартный внутри своей группы интерфейс, поскольку при отсутствии хотя бы одного из этих устройств установка неработоспособна. Некоторые узлы в установке являются автономными и не функ- ционирующими в процессе автоматической сборки или же имеют большие отличия во внутреннем содержании. К первым относятся дисплей и общая клавиатура, позволяющая оператору общаться в диалоговом режиме с установкой. Эти стандартные элементы, очевидно, должны иметь стандартный канал, а в ряде случаев они могут быть даже вынесены за пределы установки. Дисплей должен отображать не только алфавитно-цифровую и графическую инфор- мацию, но и стандартный телевизионный видеосигнал, поступаю- щий с ТВ-датчиков системы технического зрения. 248 Рис. 9.4. Обобщенная структурная схема установки присоединения проволочных выводов Устройствами, для которых предпочтительным может быть уни- версальный интерфейс, являются устройства подачи приборов на -д - 249 позицию сборки и системы технического зрения, определяющие положение объекта и выполняющие контрольные операции после сборки. Это связано с тем, что такие устройства в ряде случаев имеют различные циклограммы работы, алгоритмы и являются до- статочно сложными. В этих условиях связь с контроллером по не- которому протоколу обмена необходимо значительно сократить для того, чтобы при новых задачах либо в установке, либо в системе технического зрения, либо в устройстве подачи приборов остальная часть установки не претерпевала значительных изменений. Недостатком стандартного последовательного канала ИРПС яв- ляется необходимость его обслуживания сложным программным обеспечением и сравнительно низкая скорость передачи информа- ции (9600 бод), что с некоторых случаях может привести к удлине- нию цикла сборки на 20–50 мс (правда, имеется возможность уве- личить скорость передачи в 5–6 раз, введя синхронный режим). 9.1.2. Устройства управления Устройства управления сборочным оборудованием реализуют ос- новные функции алгоритмической взаимосвязи систем приводов, исполнительных элементов, датчиков выполнения команд и опера- ций, а также реагируют на команды оператора. Решаемые задачи мо- гут быть логическими или комбинированными (т. е. логическо-вы- числительными). Появление вычислительных операций в сборочных установках связано со следующими видами оборудования: полуавто- матическими установками, требующими от оператора предваритель- ной ориентации объекта относительно инструмента, после чего проис- ходит вычисление его положения; полуавтоматическими установками группового обслуживания, которые принципиально не отличаются от предыдущих, но оператор может выполнять свои функции дистанци- онно, при помощи специального пульта; автоматическими установка- ми, выполняющими все операции без участия человека. Логические операции реализуют комбинационные схемы либо управляющие логические устройства с временными задержками. Алгоритм функционирования этих систем определяется только их структурой, т. е. они реализуют логические сети, не содержащие управляющих логических операторов. Данные устройства разрабаты- ваются индивидуально для каждой установки и не имеют каких-либо 250 особенностей, характерных для оборудования сборки. Более универ- сальным является программное устройство, позволяющее реализо- вать логические сети с управляющими логическими операторами. В программно-логических устройствах, реализация алгоритмов управления происходит последовательно во времени. Каждый шаг алгоритма требует определенного времени, а суммарное время реа- лизации алгоритма определяется как п, где  – время одного такта, а п – число стандартных команд в реализуемом алгоритме. Это суммарное время не должно превышать допустимого запаздывания по управлению, определяемого циклограммой работы установки. Предполагается, что алгоритмы функционирования системы управ- ления хранятся в ПЗУ и поступают оттуда в систему управления в виде последовательности стандартных команд. Достоинством та- кой системы управления является ее гибкость. Чтобы изменить ал- горитм функционирования, нет необходимости менять структуру всей системы, достаточно лишь изменить коды в ПЗУ. Пример функциональной схемы логического многоканального устройства для программного управления дан на рис. 9.5. Данное устройство позволяет организовать последовательную и непоследовательную смену состояний по приоритетно распреде- ленным внешним условиям в соответствии с тем алгоритмом, для реализации которого устройство предназначено. Устройство про- граммного управления содержит произвольное число каналов, каж- дый из которых состоит из n-разрядного мультиплексора MS, ин- формационные входы которого являются входами устройства, дво- ичного n-разрядного дешифратора DC, выходы которого являются выходами устройства, и регистра RG-1. Кроме того, в схеме имеют- ся k-разрядный двоичный счетчик CT-2k, k-разрядный регистр RG-2 и устройство синхронизации (УС). Для описания работы данного многоканального устройства для программного управления введем следующие обозначения: i – зна- чение текущего состояния устройства; g – произвольное состояние устройства;  – селектируемое условие; Fi(l) – функция передачи, вырабатываемая в устройстве при значении у, соответствующем его выполнению; Fi(0) – функция передачи, вырабатываемая в устрой- стве при значении , соответствующем его невыполнению. 251 Рис. 9.5. Многоканальное устройство для программного управления 252 В состоянии i n-разрядные мультиплексоры селектируют усло- вие . Импульс с выхода УС по шине l переписывает информацию с выходов СТ-2k в RG-2 и с выходов мультиплексоров MS в регистры RG-1 в каждом канале. В зависимости от значения условия дешифра- торы DC вырабатывают функцию Fi(0) или Fi(l), используемую как для управления какими-либо внешними устройствами, так и для формирования адреса перехода и сигнала передачи управления, ко- торые подаются по обратной связи соответственно на шины адреса перехода 1–R и шину передачи управления ПУ, поступающей на вход УС. Импульс со второго входа УС по шине 2 переписывает ин- формацию с шин адреса перехода в CT-2k, и импульс с третьего вы- хода УС по шине 3 увеличивает содержимое СТ-2k на единицу. Рабо- та УС определяется состоянием шины передачи управления ПУ. Ес- ли на ней присутствует сигнал, то УС вырабатывает в соответствии с описанной последовательностью импульсы на первом и втором вы- ходах, если же сигнал отсутствует – на первом и третьем выходах. Последовательная смена состояний осуществляется путем пода- чи импульса на тактовый вход СТ-2k по шине 3. Этот импульс вы- рабатывается при отсутствии сигнала ПУ. Таким образом, обеспе- чивается большая гибкость устройства программного управления: в любом случае, когда нет необходимости в непоследовательной смене состояний, устройство автоматически переходит последова- тельно из одного состояния в другое, не зависит от значений вход- ных условий и от того, в каком канале они селектируются. Для непоследовательной смены состояний при переходе устрой- ства в состояние i будет селектироваться условие , имеющее зна- чение, соответствующее его невыполнению. Импульс с УС по шине 1 перепишет информацию с выхода СТ-2k в RG-2 и значение выходов MS в регистры RG-1. При этом дешифраторы DC вырабатывают функцию Fi(0). По этой функции формируется адрес перехода g и сигнал передачи управления ПУ, который разрешит формирова- ние импульса на выходе УС по шине 2 и занесет значение g с шин адреса перехода в CT-2k. Таким образом, устройство перейдет в со- стояние g, как и следует по алгоритму. К программным вычислительным устройствам, являющимся наиболее распространенными в сборочном оборудовании, относят- ся ЭВМ или микропроцессорная система управления. Структуры их 253 идентичны, и термин «ЭВМ» чаще употребляют по отношению к законченному, не подлежащему перекомпоновке изделию, а тер- мин «микропроцессорная система управления» (МПСУ) – к комп- лексу, который можно легко трансформировать. В сборочном обо- рудовании применяются как одни, так и другие устройства, однако углубление иерархической структуры, появление в различных ис- полнительных устройствах программных вычислительных блоков приводят к более широкому распространению гибкой МПСУ. Основу МПСУ составляет микропроцессор – программно-управ- ляемое устройство для обработки данных, выполненное на одной или нескольких больших интегральных схемах. На рис. 9.6 показана ти- пичная структура 8-разрядного микропроцессора с длиной машинного слова 8 разрядов, являющегося сейчас наиболее распространенным. Микропроцессор имеет общую внутреннюю шину и ряд связанных через нее блоков. Блок управления и дешифратор команды обменива- ются управляющими сигналами с внешними устройствами и управля- ют работой блоков микропроцессора (внутренние управляющие связи на рис. 9.6 не показаны). Обработка данных производится в арифмети- ко-логическом устройстве (АЛУ). С АЛУ связан регистр признаков, описывающих работу АЛУ (например, переполнение, перенос из старшего разряда, перенос из разряда 3 в разряд 4 (для десятичной арифметики), отрицательный результат, нулевой результат и др.). Для управления работой прерывания программно устанавливает- ся признак – маска прерывания. Если маска установлена, то соответ- ствующий ее запрос на прерывание игнорируется. 8-разрядные реги- стры общего назначения (РОН) используются как внутренняя сверх- оперативная память. Число РОН нередко превышает 8. Кроме того, имеются 16-разрядные (2 × 8) регистры: индексный, указатель стека, счетчик команд. Их назначение – общепринятое в ЭВМ. Разрядность здесь увеличена для упрощения адресации больших объемов памяти. Один 16-разрядный регистр выполнен в виде двух независимо адре- суемых 8-разрядных регистров. Для обмена данными с внешними устройствами используется регистр данных, связанный с внешней двунаправленной 8-разрядной шиной. Для выдачи адресов служит 16-разрядный регистр адреса. Выполняемая команда помещается в регистр команд. Типичная команда микропроцессора занимает один- два байта. Работа с короткими командами и малая длина машинного слова (8 разрядов) усложняют адресацию данных. Поэтому в микро- 254 процессоре способам адресации уделяется большое внимание. Важ- ную роль при этом играют РОНы. Рис. 9.6. Структура микропроцессора 255 Блок управления обменивается с системой следующими типич- ными входными управляющими сигналами: синхронизации 1 и 2 от синхрогенератора; сброс состояния и запуск процессора (С1); немаскируемое прерывание (С2); маскируемое прерывание (С3); останов и отключение от шин (С4); строб шины адреса (С5); строб шины данных (С6). Если в регистре признаков установлена маска, то микропроцессор не реагирует на сигнал С3. Сигналы С5 и С6 указывают интервал времени, в течение которого происходит обмен информацией. Из блока управления выходят следующие сигналы: шина свободна (С7) – ответ на сигнал С4; процессор находится в состоянии чтения / записи (С8) – оповещение устройств системы о готовности к обмену; чтение / запись (С9) – уточняет сигнал С8. Типичная простая микропроцессорная система управления дана на рис. 9.7. Она содержит непосредственно микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ и ряд устройств сопряжения с внешними устройствами. Си- стема с одним микропроцессором (см. рис. 9.7) обычно является частью какой-либо аппаратуры, в которой она является средством управления или вспомогательным вычислителем, например управ- лением сборочной установкой, частью управления двигателем, ча- стью дисплея и др. Она должна легко адаптироваться к различным условиям и быть простой в эксплуатации. Адаптация в частном случае означает возможность простого электрического и логическо- го сопряжения. Это в значительной степени вопрос стандартизации, и поэтому он очень сложен. Современные системы управления сборочным оборудованием на базе микропроцессоров содержат несколько десятков стандартных печатных узлов, совместимых с его шиной, таких как центральные процессорные устройства, модули памяти, устройства управления шаговыми двигателями, приводами постоянного тока, модули стан- дартной периферии и др. Системы управления сборочных устано- вок на основе микропроцессора требуют диалого паладочных ком- плексов для отладки их программного обеспечения. Микропроцессорные системы управления подробно описаны в соответствующих технических дисциплинах, и применение их в сборочном оборудовании не имеет специфических особенностей, поэтому предлагается познакомиться с ними глубже в специальной литературе. 256 Рис. 9.7. Микропроцессорная система управления Использование в оборудовании МПСУ решило ряд технических за- дач простыми средствами. Например, в установке дисковой резки с МПСУ на базе микропроцессора К580ВМ80 расчет обхода по контуру пластины сводится к определению величины хорды по формуле 257 S = 2ටሺhn + kሻ + (D – kn – k), (9.1) где h – размер кристалла по координате Y; п – номер дорожки разделения; k – постоянная величина для пластины определенного диаметра; D – диаметр пластины. Расчет занимает 2 мс, выполняется перед началом движения при- вода и, таким образом, не отражается на производительности уста- новки. Управление приводом рабочей подачи в этой же установке с ее пульта делает возможным оперативное изменение динамических характеристик движения в зависимости от технологии резки. Вре- менные интервалы между импульсами управления шаговым двигате- лем, необходимые для обеспечения равноускоренного движения на участках разгона и торможения, рассчитываются по формуле τn = (2Δ√N / Vp)(√n +1 – √n ), (9.2) где п – порядковый номер импульса;  – дискретность перемещения; N – число импульсов разгона; Vp – скорость рабочей подачи. Величины Vp и N являются переменными и вводятся в МПСУ с пульта управления установкой. Расчет величины п и выдача соот- ветствующего кода на внешнее исполнительное устройство зани- мают менее 0,6 мс. Для отработанного технологического процесса резания, когда известны оптимальные величины скоростей и уско- рений, соответствующие им величины п можно рассчитать заранее и занести в ОЗУ или ПЗУ перед началом перемещения. Это умень- шает время отработки программы до 40–50 мкс, увеличивает макси- мальную рабочую частоту до 20–30 кГц и дает возможность реали- зовать кривую разгона произвольной формы. Рассмотрим запись и хранение информации о типе разваривае- мого прибора, координатах контактных площадок кристаллов и тра- верс выводной рамки в установке присоединения проволочных вы- водов. Вводимая информация предъявляется в виде специальным образом организованного сообщения (программного файла), форма- лизованная запись которого приведена на рис. 9.8. 258 Рис. 9.8. Формализованная запись программного файла 259 Программный файл состоит из идентификатора файла, програм- мных блоков и служебных меток. В свою очередь программный блок содержит также идентификатор блока, программные предло- жения и служебную метку. Программный файл – это формализованная запись информации об одном развариваемом приборе, а программный блок – формали- зованная запись информации об одном кристалле. Программные предложения являются полной записью координат одной контакт- ной площадки. Служебные метки кристалла (К) и рамки (Р) указывают на физи- ческую принадлежность координат контактных площадок тому или иному объекту, а конец программы (КП) и конец цикла (КЦ) явля- ются управляющими сигналами. Реально каждая контактная площадка на кристалле имеет соот- ветствующую контактную площадку рамки. Поэтому каждый номер блока с меткой К имеет аналог с меткой Р. Идентификатор файла представляет собой запись технологиче- ского индекса развариваемого прибора, а идентификатор блока – запись номера блока или номера программы. На рис. 9.9 приведено графическое изображение программного файла в виде направленного графа, состоящего из k одинаковых вет- вей, одна из которых выделена. Эти ветви в дальнейшем будут имено- ваться текущим файлом или просто файлом. В отличие от программ- ного файла текущий содержит оператор «Вывод Ni». В программном файле этот оператор присутствует как номер предложения или как по- зиция предложения по отношению к идентификатору блока. Файл состоит из двух частей: адресной и информационной. К адресной части относятся номер микросхемы, номер программы, номер вывода и служебные метки объекта (К, Р), к информацион- ной – координаты контактной площадки и управляющие метки. В блок памяти заносится только информационная часть файла. Ад- ресная часть файла предназначена для организации быстрого до- ступа к необходимой информации в памяти. При вводе и выводе данных из памяти адрес информации пред- ставляется в виде адресной части файла или, как она в дальнейшем будет именоваться, логического адреса. В действительности же ин- формация располагается в ячейках с реальными адресами из адрес- ного пространства. Поэтому при обращении к памяти необходимо 260 производить перевод логического адреса в реальный. Этот перевод осуществляется по специальным формулам, что является отличи- тельной особенностью организации памяти. Другая особенность заключается в том, что распределение памяти динамическое, т. е. программные файлы различной длины занимают различный объем памяти и расположение их в памяти произвольно. Такая органи- зация памяти позволяет максимально использовать ее объем, тра- тить малое время на извлечение информации, однако усложняет обращение к ней. Рис. 9.9. Графическое изображение программного файла Все адресное пространство ЗУ разбивается на зону реальных ад- ресов и служебную зону. Объем зоны реальных адресов динамиче- ски распределяется между программными файлами, в служебной зоне каждому программному файлу отводится определенная зона базовых адресов с фиксированным объемом 64 байта. Зона базовых адресов предназначена для хранения индекса мик- росхем и базовых адресов программ кристалла и рамки. Базовым адресом программы называется тот реальный адрес, с которого начинается данная программа в зоне реальных адресов. Для расчета адресов ячеек, содержащих базовые адреса кристал- ла и рамки, служат следующие формулы: 261 КпрА = Ан. зоны + 8 + 2Nпр; (9.3) КпрА = Ан. зоны + 34 + 2Nпр; (9.4) КпрА = Ан. зоны + 4(Nвыв – 1), (9.5) где КпрА – адрес i-й программы для кристалла в зоне базовых адресов; РпрА – адрес i-й программы для рамки в зоне базовых адресов; Ан. зоны – начальный адрес зоны базовых адресов для данного файла; Nпp – номер программы; Ар – реальный начальный адрес файла; Абаз – реальный базовый адрес программы; Nвыв – номер вывода. Для точек совмещения рамки реальные адреса располагаются в зоне базовых адресов и рассчитываются по формуле Ар. совм = Ан. зоны + 2 + 4(Nвыв – 1). (9.6) Таким образом, алгоритм обращения к памяти будет определять- ся следующей последовательностью действий: 1) в служебной зоне производится поиск заданного индекса мик- росхемы; 2) при наличии индекса микросхемы по формуле для КпрА (для кристалла) или для РпрА (для рамки) производится вычисление ад- реса ячейки, в которой хранится базовый адрес файла; 3) производится выборка базового адреса из найденных ячеек; 4) в соответствии с формулой для Ар находится начальный адрес файла; 5) в ячейку с реальным адресом заносится содержимое младшего байта (МБ) регистра X, в следующую ячейку – содержимое старшего байта (СБ) регистра X, в очередные – содержимое МБ и СБ регистра Y; 6) если индекс микросхемы не найден, то производится поиск зоны с незанятыми ячейками хранения индекса микросхемы и зане- сение туда искомого индекса; 262 7) в зоне реальных адресов отыскивается ячейка, в которой запи- санп управляющая метка КП; 8) по формуле для КпрА или для РпрА вычисляется адрес ячейки хранения базового адреса; 9) на найденную ячейку заносится значение реального адреса, найденного выше и увеличенного на единицу; 10) вновь выполняется алгоритм обращения к памяти. МПСУ решили многие проблемы в оборудовании сборки изде- лий микроэлектроники и поставили новые, в первую очередь во- прос надежности программного обеспечения (ПО), теория которого в настоящее время находится в стадии развития по сравнению с теорией надежности аппаратных средств. Между ними имеются следующие различия: 1) отказы аппаратуры обусловлены физическими дефектами, а отказы ПО – программными ошибками. Надежность ПО опреде- ляется качеством ее проектирования. Следует отметить, что надеж- ное программное обеспечение должно иметь средства защиты от сбоев аппаратуры; 2) аппаратура подвержена физическому износу, а программа – нет, т. е. при хранении программ в течение разумных сроков на ка- ких-либо носителях они не искажаются. Отказ программы во время ее прогона из-за сбоя аппаратуры квалифицируется как отказ аппа- ратуры, а не программы; 3) для аппаратуры разработана и достаточно исследована теория надежности, теория надежности для ПО в настоящее время развита недостаточно; 4) такие характеристики надежности аппаратуры, как интенсив- ность отказов, среднее время между отказами, наработка на отказ, как правило, не имеют смысла для ПО; 5) методы тестирования, априорного предсказания надежности, ее оценки для аппаратуры и для ПО значительно отличаются; 6) большинство избыточных методов, используемых для повы- шения надежности аппаратуры, не улучшает надежность НО; 7) отказы ПО нельзя устранить с помощью запасных модулей. МПСУ позволили значительно повысить надежность аппарату- ры, переложив значительную часть функций на ПО, обеспечиваю- щее, кроме того, и диагностирование различных узлов и элементов. 263 Объем ПО автоматических установок сборки в среднем составляет 24–48 кбайт и имеет тенденцию к увеличению с повышением ин- теллекта машин. 9.1.3. Датчики в системе управления сборочного оборудования Оборудование сборки изделий микроэлектроники работает с по- грешностями позиционирования рабочих узлов и механизмов от единиц до десятков микрометров. Соответственно и датчики вы- полнения операций в системе управления должны иметь не мень- шую погрешность срабатывания. Общее количество датчиков в обо- рудовании достаточно большое, и они, кроме того, разнообразны по решаемым задачам (например, датчики положения, температуры, ускорения и т. д.). Разделим их на две группы. К первой отнесем датчики универсальные, используемые в системах управления прак- тически любой сборочной установки. Это датчики положения кон- цевые и линейного перемещения. Ко второй группе отнесем датчики специального назначения, необходимость использования которых появляется при реализации определенных технологических опера- ций (например, датчик температуры позиции монтажа кристаллов или датчик ускорения на координатном приводе для получения определенных его динамических характеристик). Проанализируем только первую группу. В сборочном оборудо- вании нашли наибольшее распространение среди концевых датчи- ков положения индуктивные и фотодатчики, а среди датчиков ли- нейного перемещения – емкостный, на основе эффекта Холла, и фо- тоэлектрический с прецизионными шкалами. Датчик положения индуктивный (ДПИ) содержит генератор сину- соидальных колебаний с частотой генерации приблизительно 1 мГц и каскад согласования. Датчик срабатывает при введении металли- ческой пластины в зону торцевой поверхности, при этом изменяется величина положительной обратной связи в генераторе синусои- дальных колебаний, нарушаются условия самовозбуждения, проис- ходит срыв генерации. Таким образом, различают два состояния генератора – наличие генерации и отсутствие ее. Каскад согласова- ния анализирует ток потребления генератора при наличии генера- 264 ции и при ее отсутствии и устанавливает на выходе логические сиг- налы «0» или «1». При введении стальной пластины датчик срабатывает на рассто- янии примерно 1,5 мм, при этом воспроизводимость расстояния включения при температуре окружающей среды 25±5 °С и отклоне- нии питающего напряжения от номинального значения на ± 1 % не более 20 мкм. Дифференциал хода датчика, т. е. разность между точками включения и отключения, 0,1–0,2 мм. Зависимость рассто- яний включения и выключения от напряжения питания показана на рис. 9.10. Датчик может срабатывать и от пластин, изготовленных из других металлов, при этом изменяются расстояния включения и выключения (например, для алюминия расстояние включения уменьшается и становится менее 0,5 мм, а для стали 20X13 увели- чивается более чем на 1,7 мм). Рис. 9.10. Выходные характеристики ДПИ Фотоэлектрический датчик представляет собой опто-электрон- ную пару, оптическую связь которой можно разрывать механиче- ским введением некоторого предмета. Основное достоинство датчика – относительно высокое быстро- действие срабатывания, однако по сравнению с ДПИ этот датчик l, мм Uпит, В Расстояние выключения Расстояние их включения 1 2 1 1 3   4 0 1 3 0,5 1,5 2,5 2 265 меньше распространен в оборудовании, поскольку при одинаковом функциональном назначении имеет больше ограничений в приме- нении в конкретных конструкциях установок. Емкостный датчик линейного положения (ДПЕ) предназначен для определения положения поверхности кремниевой пластины при зондовом контроле, чтобы обеспечить заданную скорость переме- щения зонда при его контактировании с контактными площадками кристаллов на пластине. Схематическое подключение датчика пока- зано на рис. 9.11. Рис. 9.11. Подключение ДПЕ Обкладка датчика представляет собой торцевую поверхность штыря диаметром примерно 3 мм, заключенного в специальный экран для устранения паразитных влияний внешних элементов и ло- кализующего электрическое поле. При изменении расстояния меж- ду пластиной и штырем датчика на 1 мкм емкость изменяется при- близительно на 0,2 пФ, что дает соответственно изменение тока приблизительно 100 нА при подаче на датчик переменного напря- жения с частотой 100 кГц. Изменение тока регистрирует операци- онный усилитель. Кремниевая пластина для такой частоты имеет внутреннее сопротивление на несколько порядков меньше, чем воз- душный зазор между нею и штырем датчика, поэтому датчик реги- стрирует изменение расстояния от поверхности пластин до торце- вой поверхности штыря. Датчик позволяет определять разновысот- ность поверхности пластины в пределах до 0,1 мм с погрешностью приблизительно 1 мкм. Поскольку пластина изготовлена с малой 266 непараллельностью, высоту ее достаточно измерить один раз перед началом работы в одном положении пластины, так что к быстро- действию датчика не предъявляется жестких требований. Скорость перемещения привода по координате Z при измерении положения поверхности пластины не превышает 10 мм/с. Микроминиатюрные преобразователи Холла из эпитаксиальных пленок InSb и GaAs используются в установках присоединения проволочных выводов для определения высоты поверхности кри- сталла. Поскольку поверхность кристалла может быть расположена по отношению к основанию под углом 2° и более (особенно при монтаже кристаллов с помощью клея), необходимо на кристалле определять положение по высоте каждой из его контактных площа- док с погрешностью 3–5 мкм. В качестве исходных технологических пластин использованы эпитаксиальные структуры, содержащие пленки InSb (толщиной 2–7 мкм) и GaAs (толщиной 0,2–1,5 мкм) на подложках из полуизо- лирующего арсенида галлия: п–InSb–i–GaAs и п–GaAs–i–GaAs с п = 1016...~1018см–3. Преобразователи Холла из гетероэпитаксиальной структуры п–InSb–i–GaAs отличаются стабильностью, низким уровнем шумов, возможностью достижения малых значений остаточного напряже- ния, малыми температурными коэффициентами сопротивления и чувствительности (не более десятых и сотых долей процента на градус соответственно). Они обладают высокой линейностью по магнитной индукции и имеют чувствительность 0,1–0,5 В/Тл. Преобразователи из эпитаксиальной структуры обладают высо- кой чувствительностью (1–5 В/Тл), повышенной теплостойкостью (до 200 °С), малыми температурными коэффициентами сопротив- ления и ЭДС Холла, а также сравнительно низкими значениями то- ка управления (5–15 мА) В сборочных установках скорость перемещения привода по ко- ординате Z при определение высоты объекта с помощью датчика Холла обычно не превышает 100 мм/с. 9.1.4. Системы технического зрения Системы технического зрения (СТЗ) для сборки изделий микро- электроники – это комплекс устройств, выполняющих функции 267 идентификации, определение дефектов поверхности, ориентацию либо определение пространственного положения объекта сборки. СТЗ включают оптико-телевизионные системы, осуществляющие освещение объекта и проецирование его изображения на мишень преобразователя свет – сигнал, и устройства распознавания изобра- жения средствами электронной техники. В качестве преобразователя свет – сигнал рассматриваем исклю- чительно электрические преобразователи растрового типа – ТВ-дат- чики па основе вакуумных трубок либо твердотельных приборов с зарядовой связью (ПЗС). Оптико-телевизионная система (ОТС) может компоноваться в сборочной установке несколькими способами: 1) распознавание осуществляется на той же позиции, на которой осуществляется сборка, и процесс сборки практически не выходит из поля зрения ТВ-датчика (рис. 9.12, а); 2) распознавание осуществляется на той же позиции, на которой осуществляется сборка, однако инструмент на время распознавания выводится из поля зрения ТВ-датчика, либо при неподвижно за- крепленных инструменте и оптико-телевизионной системе объект, расположенный иа координатном приводе, последовательно пода- ется на позиции распознавания и сборки (рис. 9.12, б); 3) распознавание осуществляется на отдельной позиции, парал- лельно операции сборки (рис. 9.12, в). Рис. 9.12. Схема выполнения визуальной операции: а – на одной позиции; б – последовательное выполнение операций; в – параллельное выполнение операций на разделенных позициях а б в 268 Первый способ позволяет осуществлять контроль непосредственно в процессе сборки, однако технические сложности его реализации оче- видны: требуется быстродействующий ТВ-датчик, загораживание ин- струментом части рассматриваемой сцены, распознавание в трехмер- ном пространстве и т. д. Все это привело к тому, что автоматизация визуальных операций таким способом практически не реализуется. Наиболее распространен второй способ. Объектив ТВ-датчика фиксируется рядом с инструментом сборки. Это позволяет устано- вить параллельно систему координат ТВ-датчика и пространствен- ную систему координат объекта, распознавая при этом плоскостное изображение. В ряде установок, таких как зондовые или разделения, инстру- мент и объектив ТВ-датчика неподвижны, а объект располагается на координатном приводе, в других же, например в некоторых установках присоединения выводов, объект неподвижен, а объектив с инструментом находится на координатном приводе. В обоих слу- чаях координатный привод может совмещать объект сборки либо с инструментом, либо с объективом ТВ-датчика. Недостаток данного технического решения заключается в том, что расстояние между инструментом и объективом ТВ-датчика определено конструкцией установки и при смене инструмента изменяется произвольным об- разом. Для определения этого расстояния в установки вводится специальный режим обучения. Естественно, что в полностью автоматической установке необ- ходимо решить задачу автоматической коррекции расстояния меж- ду инструментом и объективом ТВ-датчика. Погрешность в его определении будет входить в общую погрешность позиционирова- ния инструмента. Если объектив и инструмент сборки размещаются на координатном приводе, масса оптико-телевизионной системы ухудшает динамические характеристики привода, снижая тем са- мым производительность оборудования Третий способ автоматизации визуальной операции на отдель- ной позиции обладает достоинствами параллельного выполнения любых операций: он увеличивает производительность оборудова- ния, и отдельная позиция позволяет не связывать конструкцию оп- тико-телевизионной системы с конструкцией установки. Этот спо- соб имеет больше недостатков по сравнению с предыдущим. Необ- ходимо решить вопрос совмещения инструмента с системой коор- 269 динат ТВ-датчика, только эта задача значительно сложнее. Кроме того, может оказаться необходимым дублировать некоторые устрой- ства, например координатный привод, если поле зрения ТВ-датчика меньше размеров распознаваемого объекта. К недостаткам относит- ся и то, что действия, выполняемые установкой после получения информации с позиции распознавания, в дальнейшем не контроли- руются, т. е. установка может производить бракованную продукцию вплоть до выявления брака на очередной операции визуального или иного контроля. Следовательно, для автоматических систем такая компоновка менее предпочтительна. Структурные схемы СТЗ Структурная схема каждой конкретной СТЗ определяется не- сколькими составляющими: техническими характеристиками, кон- струкцией установки и технической базой, которой располагает разработчик. При проектировании изделия все составляющие взаимосвязаны и оказывают влияние друг на друга. Ведущую роль играют техниче- ские параметры СТЗ, такие как быстродействие, коэффициент рас- познавания и погрешность ориентации либо определения положе- ния объекта. Ориентация объекта однопольной оптической системой Распознавание объектов предполагается осуществлять в растро- вых изображениях, представленных электрическим видеосигналом. При этом широко распространенные сравнительно простые телеви- зионные датчики, имеющие развертку, близкую к стандарту веща- тельного телевидения, позволяют реализовать координатную сис- тему разрядностью до l × l элементов, где l – разрешающая способ- ность ТВ-датчика (обычно l = 300–600 линий). Независимо от коэф- фициента увеличения оптической системы минимальная погреш- ность определения углового разворота объекта в такой координат- ной сетке составляет 1/l рад. Максимально допустимая угловая погрешность ориентации пла- стин 1 l  практически для любого их диаметра, а это означает, что осуществить ориентацию пластин с требуемой точностью в ко- 270 ординатной системе ТВ-датчика невозможно, тем более что зона неточного первоначального положения ее может превышать поле зрения ТВ-датчика. Получение требуемой погрешности ориентации пластины по углу и поиск заданного фрагмента пластины решаются второй, пространственной, системой координат, реализуемой коор- динатными приводами, на которых расположена пластина. Таким образом, для зондовых установок и установок разделения, объектом распознавания которых является кремниевая пластина, СТЗ вклю- чает (рис. 9.13) оптико-телевизионную систему с системой освеще- ния, устройство распознавания, обрабатывающее видеосигнал от фрагмента изображения пластины, устройство управления коорди- натными перемещениями и координатный привод. Рис. 9.13. Структурная схема СТЗ 271 Следует отметить еще несколько достоинств данной структур- ной схемы СТЗ: 1) система использует при распознавании и ориентации коорди- натный X, Y, φ привод, имеющийся в установке для выполнения ос- новной технологической операции; 2) оптико-телевизионная система фиксируется неподвижно, по- скольку относительно ее перемещается объект (пластина), располо- женный на координатном приводе, в связи с чем ее масса и габа- ритные размеры не ухудшают динамических характеристик приво- да и не уменьшают производительности оборудования; 3) стационарное положение оптико-телевизионной системы поз- воляет сравнительно несложно решить задачу равномерного осве- щения ее поля зрения; 4) требуемая для оборудования погрешность ориентации пла- стины по углу достигается с помощью ее перемещений координат- ным приводом относительно оптикотелевизионной системы, поэто- му отклонений от ортогональности систем координат ТВ-датчика и координатного привода могут достигать 0,3°. (В любом случае произвести юстировку с погрешностью, меньшей чем 1/l рад, на реальном оборудовании не удается.) Анализируемый фрагмент пластины может иметь одинаковые размеры для любых ее типов и размеров, поскольку с помощью ко- ординатного привода можно последовательно осмотреть всю пла- стину. Это позволяет иметь оптическую систему с постоянной кратностью увеличения. СТЗ установок монтажа кристаллов предназначена для ориента- ции объекта относительно инструмента – вакуумной присоски, только объектом распознавания является кристалл, а не пластина. Кроме функции ориентации, на этих установках необходимо распо- знавать маркировочные отметки на кристалле, сколы и царапины на его поверхности, неразделенные кристаллы и т. д. Погрешность ориентации центра кристалла относительно ин- струмента в некоторых случаях допускается различной в зависимости от его размеров и составляет от 5 до 20 % размера меньшей стороны. Например, для кристаллов размером 1 × 1 мм эта погрешность может составлять ±10–20 мкм, а для кристаллов размером 10 × 10 мм – ±20–50 мкм. Быстродействие системы должно быть высоким – рас- познавание и ориентация должны выполняться за 0,1–0,3 с, по- 272 скольку каждый кристалл анализируется индивидуально перед мон- тажом в корпус прибора, а это сказывается на производительности оборудования. Структурная схема СТЗ может быть выбрана в соответствии с рис. 9.13, чему способствует наличие координатного XY привода в установке, однако при распознавании по фрагментам быстродей- ствие системы прямо пропорционально числу анализируемых фраг- ментов. Поэтому в установках монтажа кристаллов используется один фрагмент для распознавания, а поскольку анализу должна под- вергаться поверхность всего кристалла, то в зависимости от его размеров изменяется кратность увеличения оптической системы. Такое решение приемлемо для некоторого диапазона кристаллов, если допускается уменьшение точности определения его положения с увеличением линейных размеров. Ограниченные возможности данного решения обусловливаются следующими обстоятельствами: во-первых, допускаемое увеличение погрешности ориентации не пропорционально увеличению стороны кристалла и, во-вторых, с уменьшением кратности увеличения оптической системы умень- шаются размеры всех элементов, подлежащих распознаванию. Следовательно, распознавание по фрагментам для больших раз- меров кристаллов в установках монтажа кристаллов является вы- нужденной мерой. Ориентация объекта двупольной оптической системой СТЗ с однопольной оптической системой имеют недостаток – низ- кое быстродействие, непосредственно влияющее на производитель- ность оборудования. Специальная конструкция оптической системы с двумя разнесенными каналами и проекцией двух фрагментов изоб- ражения пластины на мишень ТВ-датчика обеспечивает значительное уменьшение погрешности угловой ориентации пластины без примене- ния координатного привода. Соответствующая структурная схема СТЗ позволяет сократить время ориентации за счет исключения «переез- дов» координатным приводом. Она целесообразна и в том случае, если в установке отсутствует координатный XY-привод, а имеется только привод φ, например в установке ломки, где необходима ориентация пластины только по углу. Введение в такую установку координатного XY-привода исключительно для СТЗ не может оправдать себя в пер- вую очередь по экономическим соображениям. 273 Отметим ряд недостатков двупольной оптической системы, огра- ничивающих широкое ее применение: 1) проекция двух оптических изображений на одну мишень ТВ-датчика требует выравнивания их средней яркости раздельной регулировкой осветителей (операция повторяется при старении и смене ламп освещения); 2) затруднены юстировка и проверка правильности установки оптической системы координат, особенно в том случае, если имеется привод только по φ; 3) конструктивно двупольная оптическая система требует значи- тельного свободного пространства для установки и поэтому, напри- мер, в зондовом оборудовании на рабочей позиции практически не компонуется; 4) разрядность координатной системы каждого канала уменьшается до l × l/2 элементов. Таким образом, несмотря на значительный выигрыш в быстро- действии, нельзя однозначно утверждать, что СТЗ с двупольной оп- тической системой имеет преимущество перед аналогичной СТЗ с однопольной оптической системой. СТЗ определения положения объекта Многие сборочные установки не ориентируют кристалл или корпус относительно инструмента, а определяют с помощью СТЗ их положение в пространственной системе координат с тем, чтобы в заданные координаты, полученные расчетным путем, вывести ра- бочий инструмент для выполнения операции. Положение объекта – кристалла – определено его линейным смещением ΔХ, ΔY и угло- вым разворотом Δφ относительно эталонного положения. По этим данным процессор установки вычисляет необходимые координаты, в частности координаты центров контактных площадок, в которые затем перемещается сварочный инструмент. Корпуса приборов могут быть базовыми и безбазовыми. В пер- вом случае они подаются на позицию сварки с точностью, доста- точной, чтобы сварочный инструмент попадал на их контактные площадки, перемещаясь по жесткой программе. Во втором случае присоединять проволочные выводы к контактным площадкам, об- ходя их по жесткой программе, нельзя. Необходимо корректировать положение инструмента по данным, полученным от СТЗ. Допустимая погрешность определения положения кристаллов (δX, δY) и разрядность координатной системы (l × l) определяют поле 274 зрения ОТС (δXl × δYl), которое в ряде случаев будет меньше размеров распознаваемых кристаллов и, безусловно, меньше поля, в котором располагаются контактные площадки безбазовых корпусов приборов. Поэтому при небольших размерах распознаваемых кристаллов и ба- зовых корпусах распознавание и определение положения объекта могут происходить только в системе координат ТВ-датчика. В общем же случае она должна включать координатный XY-привод. Посколь- ку кристалл в установках присоединения проволочных выводов фик- сируется неподвижно вместе с корпусом, то перемещать необходимо оптическую систему. В ряде установок объектив разделяется на по- движную и неподвижную части. Подвижная часть объектива имеет небольшие габаритные размеры и устанавливается рядом со свароч- ным инструментом на координатном приводе. Это позволяет не ухудшить динамические характеристики привода нагружением боль- шой массой оптико-телевизионной системы. Таким образом, в сборочных установках для производства изде- лий микроэлектроники реализованы следующие принципиальные построения структурных схем СТЗ: 1) неподвижная оптико-телевизионная однопольная система с пе- ременным оптическим увеличением и объект, расположенный на координатном приводе (может быть использована в зондовых уста- новках разделения, монтажа кристаллов и в некоторых установках присоединения проволочных выводов); 2) неподвижная оптико-телевизионная двупольная система с по- стоянным оптическим увеличением и объект, расположенный на координатном приводе (может быть использована в установках раз- деления); 3) неподвижно расположенные оптико-телевизионная система и объект (может быть использована в установках присоединения проволочных выводов); 4) подвижная оптическая система (либо часть ее), расположен- ная на координатном приводе, и неподвижный объект (может быть использована в установках присоединения проволочных выводов). 9.1.5. Устройства распознавания Распознавание изображений обычно понимают как отнесение данного изображения к одному из заранее описанных теми или 275 иными средствами классов изображения. Устройство распознавания СТЗ сборочного оборудования анализирует поступающий видео- сигнал, опознает по нему наличие объекта сборки и определяет его положение в плоскости. Устройство распознавания полупроводниковых пластин методом проекций и сравнения с эталоном Данное устройство предназначено для СТЗ автоматической уста- новки дисковой резки полупроводниковых пластин. Основная цель, преследовавшаяся при его разработке, – простота технической реа- лизации при обеспечении заданной погрешности ориентации пла- стины относительно разделяющего инструмента. Среди различных методов первичного преобразования видеосиг- нала своей простотой и эффективностью при значительном сокра- щении видеоинформации привлекает метод проекций, или интегри- рования видеосигнала по направлению ориентации деталей изобра- жения. Двухмерное изображение преобразовывается в одномерное распределение интегрированной яркости объекта по координате, ортогональной к направлению интегрирования. В общем случае это преобразование видеосигнала неинвариантно (зависимо) к сдвигу объекта распознавания вдоль направления интегрирования, так как в поле зрения ТВ-датчика могут располагаться различные фрагмен- ты изображения объекта. Однако существуют такие изображения, например ортогональная сетка параллельных прямых на плоскости, для которых интегриро- вание на заданном отрезке вдоль направления линии есть преобра- зование, практически инвариантное к сдвигу, если соотношение толщины линии и протяженности интегрирования меньше некото- рой величины, положим 10 %. Это утверждение можно проиллюст- рировать примером (рис. 9.14), где показаны два распределения яр- костей от двух фрагментов изображения пластины, имеющей рису- нок параллельных прямых линий по ортогональным направлениям. Очевидно, что отличие в распределениях интегрированной яркости для двух изображений будет тем больше, чем больше толщина линии b по сравнению с длиной интегрирования l. Если ширина дорожки разделения пластины 100 мкм, требуемая погрешность определения ее центра ±5 мкм, разложение ТВ-растра 512 строк (j = 0–511), то, 276 исходя из требуемой погрешности определения положения пластины, поле зрения ОТС в направлении развертки кадра не должно превы- шать 2,5 мм. Если необходимо соблюдать требование 10%-го соот- ношения толщины линии и длины интегрирования, поле зрения ОТС в направлении развертки строк должно быть не менее 1 мм. Рис. 9.14. Изображение, для которого преобразование интегрирования на заданном отрезке практически инвариантно к сдвигу 277 Таким образом, с помощью ОТС, в которой поле зрения можно перестраивать в пределах 1,0–2,5 мм (по одной стороне квадратного растра), необходимо распознавать кристаллы в диапазоне от 0,4 до 10 мм одной стороны. Для этой цели используется метод сравнения эталонного распределения, полученного от изображения перекре- стья дорожек разделения, и распределений, полученных от произ- вольных фрагментов изображения пластины, попадающих в поле зрения ОТС. Различные распределения будут коррелировать между собой в том случае, если они получены при ориентированном по- ложении пластины относительно направления интегрирования. Это говорит о необходимости предварительной ориентации пластины по углу с погрешностью Δφ (Δφ ≤ 0,5°). Величина погрешности установлена экспериментально, однако ее несложно вычислить, зная длину интегрирования и ширину дорожки разделения. В рассматриваемом устройстве распознавания предварительная ориентация пластины по углу осуществляется посредством дискри- минантного анализа распределений яркостей, полученных в резуль- тате проекций изображения пластины на прямые под различными углами в пределах допускаемой неточности положения пластины по углу. Такая возможность в определении углового разворота пласти- ны по любому фрагменту ее изображения объясняется ярко выра- женной ориентацией топологического рисунка на пластине, кри- сталлах вдоль ортогональных координат. При совпадении преимущественной ориентации деталей изоб- ражения объекта с направлением развертки растра распределение имеет наиболее крутые перепады яркости от строки к строке разло- жения растра (рис. 9.15). Объект (пластина) зафиксирован непо- движно, а направление проекции изменяется электрическим враще- нием растра ТВ-датчика. Для каждого направления сканирования изображение интегрируется по каждой строке: 0 1 ( , )d . xL j X U U t j t L   (9.5) Полученное распределение яркости Uj подвергается дифференци- рованию, а результирующий сигнал суммируется по модулю в тече- ние кадра. Поскольку суммирование осуществляется для сигнала, 278 являющегося производной от распределения Uj, низкочастотные ис- кажения, связанные с неравномерностью освещенности и отража- тельной способности объектов, не имеют большого значения, даже при том, что они усиливаются операцией интегрирования при фор- мировании распределений. Поэтому в реальном устройстве интегра- тор не усложняется и реализует обычную функцию интегрирования. Рис. 9.15. Вид распределений для различных направлений интегрирования Угловой разворот пластины по любому фрагменту изображе- ния определяется с помощью суммирующего пикового детектора (рис. 9.16). Распределение Uj и ее инверсное значение jU диффе- ренцируются на элементах R1, С1 и R2, С2. При появлении поло- жительного импульса на неинвертирующем входе одного из двух операционных усилителей ОУ1 или ОУ2 накопительный конденса- тор С3 заряжается выходным током операционных усилителей до величины напряжения, присутствующего на его неинвертирующем входе. Накопительный конденсатор через вентили D1 и D2 раз- рядиться не может. Вследствие этого, как только на неинверти- рующих входах ОУ1 или ОУ2 амплитуда входного сигнала начи- нает снижаться, отрицательная обратная связь разрывается и на накопительном конденсаторе сохраняется пиковое значение ампли- туды входного сигнала. Распределение Объект ТВ - растр 279 Рис. 9.16. Схема суммирующего пикового детектора Суммирование положительных и отрицательных пиковых амп- литуд дифференцированного распределения производится в тече- ние одного кадра, после чего накопительный конденсатор С3 раз- ряжается ключом КЛ от импульса кадровой синхронизации КСИ. Пиковый детектор, выполненный на ОУ3 и накопительном конден- саторе С4, фиксирует максимальную суммированную амплитуду дифференцированных распределений, при этом на выходе ОУ3 по- является импульс в том кадре, в котором сумма амплитуд превыси- ла наибольшую из ранее зафиксированных. Импульс с выхода ОУ3 заносит в регистр фиксируемый счетчиком кадров номер этого ТВ- кадра, запускаемого в начале поиска углового положения пластины. Растр поворачивается через 0,1° в секторе ±5°, поэтому для предва- рительного определения положения пластины используется 100 кад- ров. Дискретность поворота растра выбрана в 3–5 раз меньше, чем фактическая погрешность определения углового разворота пласти- ны данным методом, так как при использовании более «крупных» шагов фрагмент изображения в растре значительно изменяется, при этом необходимо вводить выдержку времени в течение нескольких кадров для установления изображения. По окончании цикла последовательных поворотов растра и ана- лиза распределений яркости для каждого его положения в пределах анализируемого угла в регистре сохраняется номер того кадра, в ко- ОУ2  280 тором суммированные перепады дифференцированного распреде- ления яркости имеют максимальное значение. Это соответствует ориентации ортогональных линий топологии пластины вдоль на- правления развертки растра. Предварительная ориентация пластины по углу осуществляется независимо от того, что находится в поле зрения ОТС – дорожка разделения или фрагмент топологии кри- сталла. Грубая ориентация пластины по углу не может быть выпол- нена только в том случае, если на фрагменте изображения пластины топологический рисунок не имеет преимущественной ориентации вдоль координат X, Y (например, реперный знак без рисунка). В этом случае СТЗ с помощью координатных приводов помещает в поле зрения ОТС другой фрагмент изображения. Ориентация пластины относительно инструмента осуществляет- ся, как упоминалось выше, методом сравнения с эталонным распре- делением яркости сформированных распределений посредством ин- тегрирования по строкам в прямом и повернутом на 90° растре ТВ- датчика. Рассмотрим особенности получаемых распределений. Как было отмечено выше, интегрирование изображения пластины осу- ществляется по всей длине растра, при этом часть распределения (рис. 9.17), полученная в зоне дорожки разделения, не зависит от смещения пластины относительно растра в направлении интегриро- вания. Форма этой части распределения достаточно проста, но амп- литуда сравнительно велика из-за большой протяженности инте- грирования и относительно постоянной величины сигнала от до- рожки разделения. Ширина зоны эталона не должна быть значи- тельно больше ширины дорожки разделения (в устройстве принята величина 128 строк), так как остальная часть распределения яркости является инвариантной к сдвигу в направлении интегрирования и уменьшает амплитуду корреляционного пика. Вычислитель меры соответствия двух распределений в устрой- стве реализует следующую метрику: 0 ( ) ( ) . N k H g j k t j     (9.6) где gj – распределение яркости объекта поиска заданное в полном растре (0–511 строк); tj – распределение эталона, заданное в области 0–N строк. 281 Рис. 9.17. Распределение, полученное при интегрировании пластины Функция корреляции H стремится к нулю при совпадении эта- лонного и анализируемого распределений яркости, однако полное их совпадение возможно только при совпадении изображений с уче- том неинвариантности преобразования интегрирования. При фик- сированном поле зрения ОТС (1,0–2,5 мм по одной стороне) и зна- читетьно большем по сравнению с ним диапазоне размеров крис- таллов на пластине может встретиться два вида изображений. В пер- вом, когда поле зрения ОТС больше или равно размеру кристаллов, в растре могут случайно появиться фрагменты изображения пла- стины без дорожек разделения, с одной или двумя ортогональными дорожками. Во втором случае в растре всегда находится как мини- мум одно перекрестье дорожек разделения. Рассмотрим алгоритм ориентации пластины для первого случая. В качестве эталонного фрагмента изображения примем перекрестье дорожек разделения, помещенное в центр растра (рис. 9.18). Эталон- ными будут соответствующие распределения яркости, полученные в результате проекций на ортогональные координаты. В поле зрения ОТС может попасть один из фрагментов изображения а–l, распреде- ления каждого из которых коррелируют в определенной степени с эталонными. В общем случае каждое из изображений а–l, представ- ленное распределением, коррелирует различным образом, в зависи- мости от того, в каком месте относительно перекрестья находится растр. Поскольку, кроме дорожек разделения, в распределениях яр- 282 кости присутствуют различные изображения топологии кристалла, устройство предварительно обучается и оценивает возможность ори- ентации данного типа пластины. На этом этапе пластина, ориентиро- ванная вдоль направления развертки растра, фиксируется относи- тельно его в различных положениях, и для каждого положения ана- лизируется амплитуда корреляционного пика, полученная при срав- нении распределения яркости с эталонными распределениями пере- крестья дорожек разделения. Распределения от горизонтальных доро- жек разделения должны коррелировать с эталонными по координате Y, а от вертикальных (полученных при повороте растра на 90°) – с эта- лонными по координате X. Таким образом, при наличии в растре до- рожки разделения корреляционный пик должен быть достаточно вы- раженным (иметь малую величину) по соответствующей координате и, наоборот, большую величину в противном случае. Рис. 9.18. Поиск эталонного фрагмента на пластине 283 Устройство распознавания вычисляет среднеквадратичное от- клонение амплитуды корреляционного пика при наличии и отсут- ствии дорожки разделения по соответствующей координате в кадре: 1 2 2 1 0 ; M i i k       (9.9) 1 2 2 2 0 , N i i k       (9.10) где δi, δј – величины i-гo и k-го корреляционных пиков от сравнения эталона с различными фрагментами изображения пластины, как со- держащими, так и не содержащими дорожку разделения в растре; М и N – количества проанализированных фрагментов изобра- жения. Если k1 < k2, то принимается решение, что данный тип пластины может ориентироваться устройством распознавания в автоматиче- ском режиме, и значение порога, с которым сравнивается величина корреляционного пика в режиме поиска эталона (перекрестья), рас- считывается как ε = (k2 – k1)/2. Если величина корреляционного пика меньше ε, то принимается решение, что в данном фрагменте изобра- жения присутствует дорожка разделения, в противном случае ее нет. В процессе ориентации координатный привод перемещает пласти- ну до тех пор, пока последовательно не будут найдены две ортого- нальные дорожки разделения и их перекрестье не совместится с эта- лонным фрагментом. Координатный привод совмещает с эталонным положением другие перекрестья дорожек разделения, корректируя при этом положение пластины по углу. Этот итерационный процесс закан- чивается после проверки правильности ориентации пластины по пере- крестьям дорожек разделения в противоположных ее сторонах, поме- щаемых в центр растра координатными приводами установки. Структурная схема устройства распознавания (рис. 9.19) содержит ТВ-датчик с электронным вращением и поворотом растра, интегратор по строке, блок выборки-хранения амплитуды интегрированного ви- деосигнала каждой строки растра, аналого-цифровой преобразователь АЦП, суммирующий пиковый детектор, выполняющий функцию предварительной ориентации пластины по углу, два запоминающих 284 устройства (одно – для эталонных распределений, второе – для распо- знаваемых), вычислитель меры соответствия пары распределений и контроллер устройства распознавания на основе микропроцессора К580ВМ80. Устройство работает в двух основных режимах: в первом формируются эталонные распределения яркости и заносятся в ЗУ эта- лона, во втором происходит ориентация пластины. Рис. 9.19. Структурная схема устройства распознавания При записи эталона на координатный стол X, Y, φ устанавливает- ся пластина таким образом, чтобы направление дорожек разделения совпадало с направлением развертки растра ТВ-датчика по коорди- нате X. Видеосигнал ТВ-датчика интегрируется за период строки, и в конце строки результирующий сигнал запоминается, преобразу- 285 ется в цифровую форму и заносится по соответствующему адресу в ЗУ эталона. Затем развертка ТВ-датчика коммутируется на 90°, и второе распределение заносится в ЗУ эталона. В режиме ориентации на координатный стол попадает пластина, дорожки разделения которой повернуты относительно координаты X в пределах ±Δφ (±5°). Растр ТВ-датчика дискретно поворачивается в пределах этого угла, а суммирующий пиковый детектор вычисля- ет угол разворота пластины с погрешностью ±0,3°. Далее пластина поворачивается на этот угол, т. е. ориентируется вдоль координаты X с погрешностью ±0,3°. Формируются два распределения как проек- ции изображения на ортогональные направления растра таким же образом, как и эталонные, только заносятся они в ЗУ объекта. Рассмотренное устройство распознавания установки разделения пластин имеет простую техническую реализацию, в режиме обуче- ния дает ответ о распознаваемости данного типа пластин из анализа корреляционных пиков, сводит к минимуму влияние неточности масштабирования между пространственной и телевизионной систе- мами координат на погрешность ориентации, так как координатный привод всегда помещает пластину в позицию, в которой происхо- дило обучение устройства. Устройство имеет следующие недостатки: большое время ориен- тации пластины (около 30 с), связанное с большим числом позици- онирований координатного привода, необходимость хорошей кон- трастности дорожки разделения по отношению к топологии кри- сталла, так как преобразование интегрирования последней является неинвариантным к сдвигу изображения. 9.1.6. Гибкие автоматизированные производства Обсуждая проблемы автоматизации оборудования на пути со- здания автоматизированных комплексов и гибких производствен- ных систем (ГПС) как основы малолюдных производств, необходи- мо определить степень автоматизации оборудования, стабильность исходных материалов и полуфабрикатов и решить вопросы систем распознавания, управления, датчиков и т. д. Главная черта ГПС – гибкость – понимается в настоящее время в двух аспектах: способность машин осуществлять сборку разных из- делий без модернизации системы (устойчивость к оперативной смене 286 номенклатуры) с сохранением высокой производительности (устойчи- вость к неполадкам оборудования и др.), а также готовность и способ- ность производства в нужный момент практически безубыточно пре- кратить изготовление освоенной продукции и в короткий срок присту- пить к выпуску новых изделий с любым их количеством в партиях. Выделим основные операции, выполняемые оператором в произ- водственном цикле сборки приборов на современном автоматическом оборудовании: переналадка установки на выпуск определенного типа прибора; смена изношенного инструмента с последующей подстрой- кой установки; заправка проволоки в капилляр при неприварах и об- рывах проволоки; ремонт приборов (если это возможно или целесооб- разно); подстройка установки при отказе системы технического зрения от распознавания; ремонт установки; профилактические работы. Первые два пункта связаны с несовершенством конструкции и си- стемы управления установок, а остальные – с недостаточной надеж- ностью их работы. При традиционном многостаночном обслужива- нии оператором автоматических установок такие быстро устраняе- мые отказы, как обрыв проволоки или приведение в непригодность инструмента ввиду его износа, незначительно влияли на коэффици- ент готовности оборудования, поскольку оператор участвовал в про- изводственном процессе, выполняя определенные действия, и имел возможность прогнозировать по косвенным признакам ухудшение качества работы установки (например, из-за старения инструмента: появление сколов на дорожках разделения или изменение размеров отпечатков зондов на контактных площадках кристаллов). Для авто- матизированных комплексов все эти сбои в работе установок клас- сифицируются как отказы, а отсутствие постоянного оператора при- водит к уменьшению коэффициента готовности оборудования. Решение этих вопросов может идти двумя путями: 1) автомати- зация операций, выполняемых оператором, с оснащением установ- ки необходимыми датчиками и исполнительными механизмами; 2) повышение надежности выполняемых технологических процес- сов и инструментов за счет применения новых материалов и обес- печения стабильности параметров полуфабрикатов. Автоматизированные комплексы могут проектироваться с раз- личными структурными построениями на базе: 1) единого транспорта приборов с последовательной их сборкой (последовательное объединение установок); 287 2) параллельного обслуживания группы однотипных установок роботом-загрузчиком и взаимодействия между группами через склад- накопитель (параллельное объединение установок); 3) параллельно-последовательного транспорта приборов (парал- лельно-последовательное объединение оборудования). На основе первого принципа создан интегрированный комплекс монтажа кристаллов, присоединения выводов и предварительной герметизации. В этом комплексе отдельные группы автоматов для одноименных операций соединены между собой последовательно через межоперационный буфер-накопитель. Автоматы внутри одно- функционального назначения сгруппированы по принципу парал- лельного агрегатирования, при этом каждый автомат снабжается деталями и полуфабрикатами по мере их обработки через единую транспортную ветвь из межоперационного накопителя. Для подачи отрезков лент из накопителя к сборочным позициям и обратно ис- пользуется пневмотранспорт, по одной ветви которого отрезки по- даются на посты сборки, по другой – уходят в межоперационный накопитель. Такая транспортная система, позволившая отказаться от использования магазинов (контейнеров) для отрезков ленты, имеет простую и надежную конструкцию. Достоинством таких комплексов также является малый межопе- рационный задел приборов, что выгодно при часто сменяемой но- менклатуре собираемых приборов и небольшом коэффициенте их запуска. Основной их недостаток – повышенные требования к транс- порту, поскольку при сбоях в системе управления, заклинивания отрезков, профилактическом обслуживании выпуск приборов прак- тически прекращается. На основе второго принципа созданы комплексы монтажа кристал- лов на базе установок ЭМ-4085 и присоединения проволочных выво- дов на базе ЭМ-4060, в которые входят по 10 и более единиц однотип- ного оборудования. Загрузочно-разгрузочные устройства большой ем- кости (1800 приборов) обеспечивают автономность каждой единицы оборудования. Приборы размещены в 15-кадровых отрезках, которые помещены в магазине по принципу этажерки. Количество загружае- мых магазинов – 6 шт. Поддон с магазинами подается и принимается с установки роботом-манипулятором. Магазины хранятся в централь- ном складе. Коэффициент готовности такого комплекса достаточно 288 высок из-за полной автономности работы установок, однако большой межоперационный задел является его существенным недостатком. Параллельно-последовательное объединение оборудования пред- полагает большие выгоды: сочетание общего транспорта с просты- ми межоперационными накопителями с полной автономией работы отдельных установок позволит получить малый межоперационный задел и высокий коэффициент готовности оборудования, поскольку расчет надежности автоматизированного комплекса будет произво- диться исходя из его структурного построения. При этом в качестве отказа учитываются как восстанавливаемые, так и невосстанавлива- емые отказы, включая сбои, приводящие к любой остановке маши- ны для вмешательства персонала. Примером параллельно-последовательного объединения обору- дования может быть комплекс разделения пластин ЭМ-0201. Ком- плекс предназначен для разделения полупроводниковых пластин диаметром от 75 до 150 мм толщиной 0,25–0,8 мм на кристалле с сохранением ориентации на основе автоматических установок формирования спутника-носителя с полупроводниковой пластиной (ЭМ-2008), дисковой резки, мойки и сушки пластины (ЭМ-2005) и укладки годных кристаллов на спутник-носитель (ЭМ-4018), по- ста управления, обслуживаемых подвесным роботом. Система управления комплексом обеспечивает: – диагностирование и контроль готовности оборудования к рабо- те, сообщение о готовности к работе на цеховой уровень управления; – запуск комплекса и программирование его в соответствии со сменным заданием, полученным от цехового уровня управления (либо заданным оператором); – управление работой оборудования, обработку, хранение и ото- бражение оперативной информации о работе, сбоях, состоянии обо- рудования комплекса; – запрос на верхний уровень управления о подаче необходимых материалов и объектов обработки; – управление транспортными операциями между причалом и транспортно-накопительными модулями комплекса; – формирование протокола о выполнении сменного задания, пе- редачу его на верхний уровень управления и печать. Работа комплекса может осуществляться в двух режимах: авто- матическом и наладочном. 289 Рассмотрим один из вариантов работы комплекса в автоматиче- ском режиме. Первыми включаются установки ЭМ-4018 № 1 и 2 (рис. 9.20), при этом если позиции И и К, Н и П не содержат мага- зины 5 и 6, то пост управления (ПУ) запрашивает цеховую ЭВМ об их подвозе на причал со склада. В случае отсутствия нужных мага- зинов на складе ПУ инициирует работу автоматов ЭМ-2005 и ЭМ- 2008 для их изготовления. Вновь анализируется наличие исходных полуфабрикатов-магазинов 4 на позициях Г и Е, и, в случае их от- сутствия, запрашивается склад цеха. При отсутствии магазинов на складе ПУ инициирует работу ЭМ-2008 для их изготовления. Ис- ходными полуфабрикатами для установки ЭМ-2008 являются кассе- та с полупроводниковыми пластинами 1 и магазин с рамками 2 на позициях А и Б. Если их нет на этих позициях и в буферных нако- пителях I–IV, ПУ посылает запрос на подвод их к причалу со скла- да. Автоматическая установка ЭМ-2008 формирует магазин 6 с ад- гезионной пленкой для установок ЭМ-4018, который может поме- щаться в позиции VIII, X, И и Н, и магазин 4 с приклеенной пла- стиной, который через позицию В передается на позиции Г и Е, V, VI и VII установок ЭМ-2005. Пустая ладовская кассета 3 возвраща- ется на склад через позицию А. Таким образом, продукцией автома- тических установок ЭМ-2005 являются магазины 5 с разрезанными на кристаллы полупроводниковыми пластинами, а установок ЭМ- 4018 – магазины 7 с годными кристаллами. Архитектура управления автоматическим производством может быть достаточно разнообразной, исходя из возможностей имею- щихся аппаратных и программных средств. Например, предлагае- мый фирмой Kulicke and Soffa (США) вариант системы управления имеет три уровня: первый – оборудования, второй – локального производства и третий – главного производства. Информация с пер- вого уровня на второй поступает через концентраторы данных. Си- стема работает при подсоединении определенного количества сбо- рочных и контрольных установок ко всей коммуникационной сети производства. Современное сборочное оборудование и оборудова- ние будущих поколений должно быть разработано таким образом, чтобы оно было совместимо с протоколами связи SECS. Трехуров- невая распределенная иерархическая структура обработки данных позволяет значительно ограничить зависимость выхода продукции от возможных неверных действий оператора. 290 Ри с. 9 .2 0. Ст рук тур ная сх ем а к ом пл екс а р азд еле ни я п лас тин ЭМ -0 20 1 291 Распределение аппаратных средств на три уровня объясняется ус- ловиями эксплуатации и функциями управления. Первый уровень обеспечивается контроллером сборочной установки, основная функ- ция которого – управление данной установкой, второй – контроллером, управляющим всеми сборочными машинами. Между первым и вто- рым уровнями управления включен интеллектуальный концентратор данных для управления прохождением данных от оборудования опре- деленного типа. Третий уровень – это ЭВМ управления производством. Контроллер первого уровня посылает данные об аварийных си- туациях, данные обработки, распознавания и другие в виде марки- рованных во времени сообщений. Он получает различные инструк- ции и данные об управлении установкой. Концентратор данных представляет собой обычную микроЭВМ с расширенными средствами передачи данных и буферизации. Он может передавать данные в обоих направлениях между контролле- ром второго уровня и контроллером сборочной установки. Концен- тратор может также запоминать данные, если контроллер второго уровня вышел из строя или если его нет в наличии. Контроллер второго уровня управляет системой локального про- изводства и подсоединен ко всем концентраторам данных через вы- сокоскоростную линию связи, а также к существующей ЭВМ пред- приятия. Он может выполнять следующие функции: – получать и запоминать данные о начальных стадиях производства (запасы материалов, полуфабрикатов, состояние оборудования и т. д.); – поддерживать связь между транспортировщиками материалов и устройствами, которые они в настоящее время обслуживают; – обрабатывать полученные сообщения и принимать решения по выходным сообщениям; – фиксировать ошибки и потерю информации; – выполнять сбор требуемых заказчиком статистических данных и параметров изделий; – давать отчет в виде распечатки или на экране ЭЛТ диспетчер- ского управления рабочими характеристиками установок, формиро- вания данных и управления работой сети; – готовить и передавать необходимые характеристики и инфор- мацию для главной ЭВМ; – хранить библиотеку параметров приборов и режимов устано- вок сборки. 292 Архитектура системы управления собственно сборочной уста- новки строится в настоящее время по иерархическому принципу из- за достаточно четкого разграничения элементов системы управле- ния по функциональному назначению. Каждое из этих устройств (устройства управления координатным приводом, распознавания, управления загрузочно-разгрузочными механизмами и т. д.) может иметь самостоятельное развитие, без привязки к сборочной уста- новке, поэтому нет очевидных причин перехода от иерархических микропроцессорных систем к мультипроцессорным. Однако наблю- дается тенденция к использованию быстродействующих контролле- ров с 16- и 32-разрядными словами. Это связано с введением интер- поляции перемещений по трем и более координатам, быстрой обра- боткой двухмерной информации при распознавании образов для слож- ных задач контроля и другими задачами. Системы технического зрения включают оптико-телевизионное и вычислительное устройства с программным обеспечением, реали- зующие алгоритм распознавания. Как уже известно, распознавание есть не что иное, как классификация, т. е. процесс, когда неизвестные объекты относят к заранее сформулированному классу. В сборочном оборудовании распознавание объектов необходимо в первую оче- редь для определения их положения или ориентации. В значитель- ной мере эти задачи, удовлетворяющие автоматизированному произ- водству изделии микроэлектроники, решены, однако практически не рассмотрены контрольные визуальные операции. Из-за отсутствия автоматизации визуального контроля в автоматическом производстве бракованная продукция может производиться до тех пор, пока она не обнаружится на последующей установке сборки. Автоматизации подлежат следующие основные визуальные опе- рации: 1) на установках зондового контроля – ориентация пластин, кон- троль отпечатков зондов, контроль положения и вида маркировоч- ных отметок; 2) на установках разделения – ориентация пластин, контроль ширины и качества реза, контроль точности разделения; 3) на установках монтажа кристаллов – ориентация кристалла, определение положения корпуса, контроль поверхности и качества монтажа кристалла; 293 4) на установках присоединения выводов – определение положе- ния кристалла и корпуса, контроль формы перемычек, контроль ка- чества присоединения выводов. Оптические системы в сборочном оборудовании имеют два раз- личных назначения. Первое – помочь человеку увидеть микрообъ- екты сборки (контактные площадки на кристаллах, имеющие ли- нейные размеры 50–120 мкм, проволоку диаметром 10–40 мкм и т. д.) при подготовительных, наладочных, контрольных работах. Эту задачу в настоящее время успешно решают бинокулярные сте- реомикроскопы с передним отрезком более 100 мм. Стереомикро- скопы имеют переключаемую кратность увеличения, что значи- тельно расширяет диапазон их использования. Второе назначение оптических систем – обеспечить проекцию изображения объекта сборки на мишень ТВ-датчика для распознава- ния и определения положения данного объекта средствами вычисли- тельной техники. В этом случае оптическая система должна быть жестко фиксирована, так как она включена в общую метрологиче- скую систему, измеряющую координаты объекта сборки. Оптическая система не может оперативно и гибко изменять свои параметры (ве- личину переднего отрезка, апертуру, кратность увеличения и т. д.), однако реальная конструкция установки требует определенных кон- структивных параметров, поэтому для автоматизации визуальных операций различных установок необходим определенный набop оп- тических систем, удовлетворяющих следующим требованиям: – реализации светлого и темного полей формирования изобра- жения объекта (наличие двух способов формирования изображения объясняется тем, что в ряде установок распознавание лучше осу- ществляется в темном поле благодаря высокой контрастности изоб- ражения, а наладочные и юстировочные операции, выполняемые оператором, – в светлом поле из-за высокого разрешения изображе- ния полупроводниковых пластин и кристаллов); – реализации (по выбору) постоянной либо переменной кратно- сти увеличения; – обеспечению малой неравномерности освещенности в плоско- сти мишени ТВ-датчика (как правило, менее 10 %); – обеспечению заданной величины освещенности в плоскости мишени ТВ-датчика (обычно 1–50 лк); 294 – обеспечению минимальной потери контрастности изображения в оптической системе; – обеспечению малых геометрических искажений (как правило, ме- нее 10 % допустимой погрешности определения положения объекта); – обеспечению малых массогабаритных размеров оптической си- стемы, особенно если она предназначена для установки на коорди- натном приводе. Перечисленные требования принципиально не отличаются от требований к характеристикам оптических систем. Это следует из того, что вопросы распознавания объектов сборки и определения их положения в значительной мере решены в существующем обору- довании. Остаются открытыми вопросы визуального контроля ка- чества выполненной технологической операции, поэтому следует ожидать появления потребности в оптических системах с полем зрения D ≈ 15 мм, небольшой кратностью увеличения и разрешаю- щей способностью 300–400 линий/мм. Получение такой разрешаю- щей способности возможно только при большой апертуре объекти- ва и малой глубине резкости. Поэтому возникает необходимость быстрой автофокусировки такого объектива, так как разновысот- ность объектов сборки составляет 50–100 мкм, а в некоторых слу- чаях может достигать 1 мм. Телевизионные датчики СТЗ, преобразующие оптическое изобра- жение в электрический видеосигнал, используются двух типов: с пере- дающей электровакуумной трубкой типа видикон или с твердотельной матрицей на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). В настоящее время созданы передающие трубки, позволяющие на своем фоточув- ствительном слое получить разрешение до 4000 телевизионных линий на растр, ПЗС-матрицы, содержащие до 800 × 800 элементов, и ПЗС- линейки, обеспечивающие разрешающую способность до 2000 линий. Однако в оборудовании наибольшее распространение получили ТВ- датчики с разрешением до 512 линий, при этом, несмотря на то что инерционность видиконных камер значительно больше, чем ПЗС, гео- метрические искажения могут достигать 2 %, а для получения ста- бильности растра менее 0,3 % требуются определенные усилия, их применение в отечественном и зарубежном оборудовании практически не уменьшается. Это объясняется рядом причин: во-первых, отрабо- танностью конструкции видиконных ТВ-датчиков и большим разно- образием видиконов с различными светотехническими характеристи- 295 ками; во-вторых, температурной нестабильностью видеосигнала ПЗС- приборов и смещением спектральной чувствительности в область ин- фракрасного света, не видимого человеческим глазом, что становится неудобным при настройке осветителя, проверке работоспособности установки с помощью микроскопа, т. е. при наладочных и контроли- рующих действиях, выполняемых человеком. Наибольшее распространение получили ТВ-датчики, имеющие стандартный чересстрочный растр вещательного телевидения, при этом практически любой ТВ-датчик может работать в составе сбо- рочной установки. Однако построчное разложение, несмотря на определенную сложность отображения на стандартном видеокон- трольном устройстве, является более предпочтительным для систем распознавания, так как уменьшает погрешность определения поло- жения объекта в кадре. В будущих разработках СТЗ, предназначенных для оборудова- ния автоматизированных комплексов, следует ожидать значительно более широкого использования ТВ-датчиков с ПЗС-приборами из-за малой инерционности, что позволит увеличить производительность оборудования и наработку на отказ. ТВ-датчики с электровакуум- ными приборами, имеющие повышенное разрешение, найдут при- менение в устройствах контроля. При этом большое разрешение по полю позволяет сформировать растр в разных участках мишени ТВ- датчика и тем самым исключить в устройствах визуального кон- троля координатный привод, расширяющий телевизионную систе- му координат последовательным сканированием объекта. Контроль- ные визуальные операции в полной мере могут быть автоматизиро- ваны при обработке цветного изображения ТВ-датчика, поскольку значительная часть дефектов при черно-белом формировании изоб- ражения не наблюдается. В заключение сделаем несколько замечаний, относящихся к ав- томатизации производства ИС. 1. В ходе эксплуатации ГПС основные проблемы и «узкие ме- ста» определяются не оборудованием и программным обеспечени- ем, а организационной структурой производства. Поэтому главные усилия должны быть направлены на изучение самого производ- ственного процесса. 2. При создании ГПС резко повышается роль контрольных опе- раций: контроль за ходом процесса и работой машин, материалами 296 и полуфабрикатами, передаваемой информацией и др. Поэтому не- обходимо расширить поиск эффективных методов и средств конт- роля, внедряемых в оборудование электронного машиностроения. 3. До настоящего времени не выработаны критерии для определе- ния, какой способ автоматизации лучший, поэтому автоматизировать производство следует только в тесном сотрудничестве с заказчиком. 9.2. Комплексная автоматизация сборочных процессов изделий микроэлектронной техники Трудоемкость сборочных процессов от общей трудоемкости из- готовления приборов составляет 35 % и создание автоматов и полу- автоматов для осуществления сборочных работ позволят сущест- венно уменьшить эту цифру и соответственно снизить себестои- мость и увеличить объем выпускаемых дискретных полупровод- никовых приборов и интегральных микросхем. Для производства планарных транзисторов в пластмассовых кор- пусах была создана автоматизированная линия «Поток» примени- тельно к машинному варианту сборки. Процесс сборки маломощного n–p–n-транзистора в пластмас- совом корпусе основан на использовании непрерывной многослой- ной ленты с полосчатым золочением, которая служит не только транспортирующим элементом, но и одновременно основой кон- струкции прибора. В качестве транспортирующего и накопительного устройства применяется магнитный барабан. Поточно-механизированная линия состоит из следующих установок: 1. Пресс-автомат вырубки перфорации на ленте (номинальное уси- лие 104 Н; производительность 6000 транзисторных элементов в час); 2. Установка напайки кристаллов на ленту (производительность 700 присоединений в час). Разработанный технологический процесс автоматизированной сборки транзистора является универсальным и используется в качестве базового при производстве широкой но- менклатуры полупроводниковых приборов, загерметизированных пластмассами. Для сборки интегральных микросхем в плоских металлостеклянных корпусах была разработана линия автоматизированной сборки, явля- ющаяся составной частью комплекса оборудования «Корунд-С». 297 На всех стадиях сборки используются десятиместные кассеты, являющиеся сквозными. Благодаря им удалось применить элементы групповой сборки в ранее дискретно выполняемых процессах, резко сократить перекладки деталей и приборов и свести к минимуму их повреждения. Линия автоматизированной сборки интегральных схем в плос- ком корпусе состоит из следующих установок: 1. Установки монтажа кристаллов в корпус типа УК-03; ее про- изводительность – 700 шт./ч. Технологический процесс монтажа состоит из следующих опе- раций: шаговая подача корпусов в десятиместной кассете; ориента- ция выводов корпуса по шаблону; ориентация кристалла, находя- щегося в групповой кассете, расположенной на манипуляторе уста- новки; захват и перенос кристалла инструментом на позицию пай- ки; создание давления; подача вибрации; выдержка, возвращение инструмента в исходное положение. Монтаж кристалла в корпус производится методом контактно- реактивной пайки с образованием эвтектики золото-кремний. Тем- пература процесса – 420 °С, давление – 5·103 Н/м2. Установка управ- ляется от программатора, обеспечивающего поддержание необхо- димых технологических режимов, включая трехступенчатый цикл нагрева корпуса. 2. Двух установок УЗП-02М и УЗП-03 для микросварки. Уста- новка УЗП-02М предназначена для ультразвуковой микросварки алю- миниевой проволоки внахлестку без подогрева изделия и инстру- мента. Программатор обеспечивает независимые технологические режимы при сварке на кристалле и корпусе. Производительность установки – одна перемычка в секунду. Установка УЗП-03 используется для ультразвуковой микросвар- ки золотой проволоки методом опаленного шарика с подогревом до 250 °С прибора в процессе сварки. Производительность – одна пе- ремычка за 1,5 с. Лента подается автоматически с помощью вибробункера; крис- талл присоединяют к ленте методом ультразвуковой сварки с на- гревом столика до 400–420 °С с образованием эвтектического спла- ва золото-кремний. Две установки для присоединения выводов к кристаллу и развод- ки выводов на ленту; процесс производится методом термокомпрес- 298 сионной сварки с помощью двойного рубинового капилляра для од- новременного присоединения двух выводов. Термокомпрессия осу- ществляется шариками при 300–340 °С. Установка производит две операции: первая – термокомпрессия двух золотых проволок, конча- ющихся шариками, к металлизированным площадкам на кристалле; при этом все переходы операции осуществляются автоматически, вручную под микроскопом производится только точное совмещение; вторая – автоматическая приварка выводов к контактным участкам рамки; эта операция проводится контактной сваркой без участия опе- ратора; производительность двух агрегатов – 700 приборов/ч. Установка подготовки к герметизации имеет две рабочие пози- ции: смотка ленты с транзисторными сборками с барабана и заправ- ка в кассету-спутник для последующей герметизации; обрезка од- ной из технологических перемычек на ленте. Емкость одной кассе- ты-спутника 20 приборов, производительность установки 700 шт./ч. Установка герметизации представляет собой плунжерный доза- тор компаунда типа ЭКМ, дозировка компаунда обеспечивается од- новременно 20 соплами. Рабочий стол установки имеет механизм автоматического перемещения на один очередной ряд заливочных форм, которое производится после каждой дозировки. Автомат маркировки снабжен подающим вибробункером и су- шильной камерой улиточного типа; его производительность – 300 шт./ч. Автомат с подающим вибробункером для упаковки приборов в полиэтиленовую ленту; его производительность – 3000 шт./ч. Магнитный накопительный барабан предназначен для накопле- ния ленты на отдельных сборочных операциях и последующего пе- реноса сборок на ленте на следующую технологическую операцию. Сборки состоят и в том, что он позволяет использовать ленточ- ную технологию и автоматизировать процесс сборки, а также обес- печивает возможность контроля качества сварки. В настоящее время действует линия автоматизированной сборки интегральных микросхем в пластмассовом корпусе методом про- межуточной контактной рамки («паучка»). Линия состоит из следующих установок: – установки укладки кристаллов в кассету; производительность – 1600 шт./ч. Она предназначается для определения годных полупро- 299 водниковых кристаллов, расположенных ориентированно на липкой пленке, съема их с пленки и укладки в многорядную кассету; – пресс-автомата для подготовки контактных рамок из алюмини- евой ленты к травлению; производительность – 2000 шт./ч; – установки электролитического травления для получения про- межуточных контактных рамок путем электрохимического травле- ния алюминиевой ленты с отпечатками требуемого рисунка; произ- водительность – 700–800 шт./ч; – установки для присоединения кристаллов к контактной рамке; производительность – 400 кристаллов/ч. Присоединение алюминие- вой контактной рамки к металлизированным площадкам кристаллов осуществляется с помощью ультразвука частотой 59–61 кГц; – установки для присоединения контактной рамки к выводам на- ружной рамки; производительность – 500 приборов/ч. На установке производится автоматизированное присоединение 14 выводов кон- тактной рамки с приваренным кристаллом к выводам наружной рамки методом ультразвуковой сварки; – установки визуального контроля; производительность – 1000 при- боров/ч. На установке осуществляется внешний осмотр под микро- скопом выводов «паучка», проверка прочности приварки выводов «паучка» к выводам наружной контактной рамки путем обдува их очищенным сжатым воздухом, последующей доварки ненадежных соединений и маркировки неисправимого брака. Установка работа- ет в полуавтоматическом режиме. Линия автоматизированной сборки интегральных микросхем с помощью промежуточной контактной рамки позволяет выпускать 1,5 млн приборов в год. С помощью обеих установок можно производить сварку единич- ных, уложенных в десятиместную кассету, а также собираемых на отрезках ленты приборов, для чего установки снабжены соответ- ствующими видами унифицированных механизмов: – установкой визуального контроля УВК-01 для контроля мик- росварных соединений, позволяющей осуществлять контроль внеш- него вида кристаллов, корпусов, сборок и других объектов и произ- водить раскладку по видам (группам) брака с автоматическим сче- том количества брака по отдельным дефектам и суммированием общего количества брака в партии. Для контроля используются микроскопы ММУ-3 и МБС-2; 300 – установкой УКПМ-1 для контроля прочности микросоеди- нений путем наложения разрушающих нагрузок к выводам, прива- ренным к контактным площадкам кристалла, и к траверсам корпуса с регистрацией величины усилий отрыва по шкальному прибору с точностью 0,5 г; – установкой ОЖФ для отмывки деталей и корпусов интеграль- ных схем от органических и неорганических загрязнений. Произво- дительность установки – 1000 шт./ч; – десятипозиционной установкой типа Г-10 для герметизации инте- гральных схем, позволяющей запаивать все приборы, находящиеся в групповой кассете. Пайка осуществляется струей нагретого инертно- го газа. Температура инертного газа в 10 паяльниках поддерживается автоматически. Производительность установки – 500 шт./ч. Все сборочные операции (от электроконтроля до упаковки) про- изводятся в едином сквозном спутнике без перекладки изделий из одной технологической тары в другую. Применение спутников поз- воляет полностью автоматизировать процессы контроля и предо- хранить микросхемы от механических повреждений. Описанная автоматизированная линия сборки микросхем дает возможность существенно сократить производственный цикл изго- товления, увеличить процент выхода годных изделий, надежность и снизить трудоемкость и себестоимость микросхем. 301 ЛИТЕРАТУРА 1. Колешко, В. М. Ультразвуковая микросварка / В. М. Колешко. – Минск : Наука и техника, 1997. – 328 с. 2. Комаров, Ф. Ф. Ионная имплантация в металлы / Ф. Ф. Ко- маров. – М. : Металлургия, 1990. – 216 с. 3. Красников, Г. Я. Физико-технологические основы обеспече- ния качества СБИС / Г. Я. Красников, Н. А. Зайцев. – М. : Микрон- пресс, 1998. – 809 с. 4. Технология СБИС : в 2 кн. / под ред. С. Зи. // К. Пирс [и др.]; Пер. с англ. Ю. Д. Чистякова. – М. : Мир, 1986. – Кн. 1. – 406 с.; кн. 2. – 455 с. 5. МОП-СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов / под ред. П. Антонетти, Д. Антониадиса, Р. Даттона, У. Оулдхема. – М. : Радио и связь, 1988. – 496 с. 6. Гуськов, Г. Я. Монтаж микроэлектронной аппаратуры / Г. Я. Гуськов, Г. А. Блинов, А. А. Газаров. – М. : Радио и связь, 1986. – 176 с. 7. Емельянов, В. А. Корпусирование интегральных схем / В. А. Емельянов. – Минск : Полифакт, 1998. – 358 с. 8. Колешко, В. М. Контроль в технологии микроэлектроники / В. М. Колешко, П. П. Гойденко, Л. Д. Буйко. – Минск : Наука и тех- ника, 1979. – 312 с. 9. Миллер, Ю. Г. Физические основы надежности интегральных схем / Ю. Г. Миллер, В. Ф. Синоров; под ред. Ю. Г. Миллера. – М. : Советское радио, 1976. – 320 с. 10. Фитер, В. Методы ускоренных испытаний микроэлектронных элементов / В. Фитер // Зарубежная радиоэлектроника. – 1982. – № 11. – С. 3. 11. Емельянов, В. А. Микроконтактирование проволочных выво- дов в твердой фазе / В. А. Емельянов [и др.] // VI Научно-техниче- ская конференция «Контактроника-88». – Быдгот, ПНР, 9–11 мая 1988 г. – С. 1–12. 12. Чернышев, А. А. Автоматизация сварки микропроволокой при сборке интегральных схем / А. А. Чернышев, Р. А. Голубенко // Зарубежная электронная техника. – 1980. – № 2. – С. 15–16. 13. Смитт, К. Новые возможности автоматизированной сборки на ленту-носитель / К. Смитт // Электроника. – 1983. – № 1. – С. 16. 302 14. Дударчик, А. И. Перспективы перевода сборки ИМС в плос- кие стеклокерамические корпуса / А. И. Дударчик [и др.] // Элект- ронная промышленность. – 1988. – Вып. 6 (174). – С. 40–41. 15. Куценко, В. М. Гибкие автоматизированные системы произ- водства и управления в гальванотехнике / В. М. Куценко [и др.]. – Минск : БелНИИНТИ, 1988. – 47 с. 16. Емельянов, В. А. Аппаратные средства контроля параметров твердотельных структур в производстве СБИС / В. А. Емельянов [и др.]. – Минск : НПО «Интеграл», 1997. – 94 с. 17. Емельянов, В. А. Вакуумно-плазменные способы формирова- ния защитных и упрочняющих покрытий / В. А. Емельянов, И. А. Ива- нов, Ж. А. Мрочек. – Минск : Бестпринт, 1988. – 284 с. 18. Емельянов, В. А. Сборка ИМС на ленточных носителях по стандартам «LG» / В. А. Емельянов, В. Л. Ланин, В. Ф. Ласточкина // II Междунар. научно-техн. конф. – Нарочь, 1977. – С. 186–191. 19. Достанко, А. П. Моделирование и оптимизация ультразвуко- вой микросварки для микромонтажа интегральных схем / А. П. Дос- танко [и др.] // Электронная промышленность. – 1988. – Вып. 6. – С. 16–17. 20. Емельянов, В. А. Ультрозвукавая микросварка соединений в корпусах ИМС, не содержащих драгоценных металлов / В. А. Емельянов, В. П. Ланин, А. А. Хмыль // Состояние и перспек- тивы развития сборочного оборудования. Материалы научно-прак- тич. конф. – Минск, 1991. – С. 57. 21. Мазур, А. И. Процессы сварки и пайки в производстве полу- проводниковых приборов / А. И. Мазур, В. П. Алехин, М. Х. Шор- шоров. – М. : Радио и связь, 1981. – 224 с. 22. Емельянов, В. А. Ультразвуковая микросварка проволочных выводов с контактными площадками ИС / В. А. Емельянов, В. П. Ла- нин, А. А. Хмыль // Электронная промышленность. – 1987. – Вып. 2. – С. 71. 23. Емельянов, В. А. Методы контроля параметров твердотель- ных структур СБИС / Емельянов В. А. [и др.]. – Минск : Бестпринт, 1998. – 108 с. 24. Емельянов, В. А. Сборка ИМС в корпусах с ультратонким зо- лотым покрытием / В. А. Емельянов, В. Л. Ланин, В. Ф. Ласточкина // Науч.-техн. конф. «Материалы, технологии, инструмент». – Минск, 1998. – Т. 3, № 2. – С. 112. 303 25. Емельянов, В. А. Ультразвуковая микросварка межсоедине- ний интегральных схем по никелевым покрытиям / В. А. Емельянов, В. П. Ланин, А. А. Хмыль // ХХХIХ Всесоюзн. науч. сессия, посвя- щенная Дню радио. – М., 1984. – С. 85. 26. Емельянов, В. А. Проволочный микромонтаж интегральных схем с никелевым покрытием / В. А. Емельянов [и др.] // ХII Всесоюз. науч. конф. по микроэлектронике. – Ч. VI. – Тбилиси, 1987. – С. 183. 27. Дроздов, О. Я. Автоматическая линия сборки и сварки арма- туры ИС типа 401.14-5 (Сх. 74) / О. Я. Дроздов [и др.] // Передовой производственно-технический опыт. ИЛ № 92-0006. ВИМИ. – 2 с. 28. Емельянов, В. А. Лазерное термораскалывание хрупких не- металлических материалов / В. А. Емельянов [и др.] // Лазерные но- вости. – М. : НИИ «Полюс», 1996. – Вып. 3. – С. 37–41. 29. Емельянов, В. А. Технология микромонтажа интегральных схем / В. А. Емельянов. – Минск : Бел. наука, 2002. – 335 с. 30. Онегин, Е. Е. Автоматическая сборка ИС / Е. Е. Онегин, В. А. Зенькович, Л. Г. Битно. – Минск : Вышэйшая школа, 1990. – 383 с. 31. Онегин, Е. Е. Точное машиностроение для микроэлектроники / Е. Е. Онегин. – М. : Радио и связь, 1986. – 22 с. 32. Пасынков, В. В. Материалы электронной техники / В. В. Па- сынков, Д. М. Карпинос, С. П. Листовничая. – М. : Высшая школа, 1980. – 216 с. 33. Современные методы и оборудование для разделения полу- проводниковых пластин на кристаллы / В. А. Зенькович [и др.] // Зарубежная электронная техника. – 1978. – № 11. – С. 16–26. 34. Емельянов, В. А. Ультрозвукавая микросварка проволочных выводов с повышенным качеством соединений / В. А. Емельянов, В. П. Ланин, А. А. Хмыль // XLVI Всесоюзная научн. сессия, по- священная дню радио. – М., 1991. – С. 140. 35. Чернышев, А. А. Корпуса для больших интегральных схем и перспективы их совершенствования / А. А. Чернышев, А. А. Стад- ник, А. А. Чюхин // Зарубежная радиоэлектроника. – 1984. – № 9. – С. 83–95. 36. Чернышев, А. А. Автоматизация сварки микропроволокой при сборке интегральных схем / А. А. Чернышев, Р. А. Голубенко // Зарубежная электронная техника. – 1986. – № 2. – С. 48–59. 304 37. Исмаилов, Ш. Ю. Автоматические системы и приборы с ша- говыми двигателями / Ш. Ю. Исмаилов. – М. : Энергия, 1968. – 136 с. 38. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники. – М. : Лабора- тория базовых знаний, 2003. – С. 192. 39. РД 110705–89. Оборудование для производства СБИС уровня ДОЗУ 1-4 Мб. Общие технические требования. 40. Данилин, А. Д. Интегрированные технологические системы в микроэлектронике / А. Д. Данилин [и др.] // Электронная про- мышленность. – 2004. – № 4. – С. 129–144. 41. Гордеев, Д. Д. Технология вертикально интегрированных полу- проводниковых структур для создания СБИС / Д. Д. Гордеев [и др.] // Зарубежная электронная техника. – 1987. – Вып. 10 (137). – С. 3–55. 42. МОП СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов / под ред. А. Антонетти, Д. Антониадиса, Р. Диттона, У. Оудхема ; пер. с англ. – М., 1988. – С. 222–223. 43. Мулдашев, В. И. Технологические аспекты получения СБИС с диэлектрической изоляцией / В. И. Мулдашев [и др.] // Электрон- ная промышленность. – 1990. – № 4. – С. 30–33. 44. Моряков, О. С. Устройство и наладка оборудования полупро- водникового производства / О. С. Моряков. – М. : Высшая школа, 1971. 45. Рыдзевский, А. Я. Ультразвуковая сварка в микроэлектрони- ке / А. Я. Рыдзевский // Обзор по электронной технике. – Вып. 7. – М., 1974. 46. Тареев, Б. М. Герметизация полимерными материалами в ра- диоэлектронике / Б. М. Тареев. – М. : Энергия, 1974. 47. Емельянов, В. А. Технология электрических соединений в про- изводстве электронной аппаратуры: учебное пособие / В. А. Емелья- нов, В. П. Ланин, А. А. Хмыль. – Минск : Беспринт, 1997. – 113 с. 48. Ануфриев, Л. П. Повышение качества сборки монтажа инте- гральных схем / Л. П. Ануфриев [и др.] // Электронная промышлен- ность. – 1990. – Вып. 5. – С. 11–12. 49. Чернышов, А. А. Автоматизация сварки микропроволокой при сборке интегральных схем / А. А. Чернышов, Р. А. Голубенко // Зарубежная электронная техника. – 1986. – № 2. – С. 48–59. 50. Битно, Л. Г. Система технического зрения установки присо- единения проволочных вывоов ЭМ-4060 / Л. Г. Битно, В. С. Седя- 305 кин, Л. Н. Напалкова // Электронная промышленность. – 1986. – Вып. 10. – С. 34–37. 51. Тхорик, Ю. А. Физические методы диагностики в производ- стве полупроводниковых приборов / Ю. А. Тхорик // Электронная промышленность. – 1990. – № 6. – С. 12–18. 52. Горлов, М. И. Конструкционные методы повышения надеж- ности ИС / М. И. Горлов. – Воронеж, 1995. – 60 с. 53. Дунаев, С. А. Оперативная оценка качества логических мик- росхем / С. А. Дунаев, А. А. Сычев // Состояния и пути повышения надежности видеомагнитофонов : тез. докл. VII научно-техн. отр. конф. – Воронеж, 1993. – С. 27–29. 54. Турцев, А. С. Специальные технологические средства в про- изводстве СБИС и УБИС / А. С. Турцев // Зарубежная электронная техника. – 1991. – № 4. – С. 3–39. 306 Учебное издание СЫЧИК Василий Андреевич ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Конспект лекций по дисциплине «Технология сборки полупроводниковых приборов и интегральных схем» для студентов специальности 1-41 01 01 «Технология материалов и компонентов электронной техники» Редактор Т. А. Зезюльчик Компьютерная верстка Н. А. Школьниковой Подписано в печать 06.06.2014. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 17,79. Уч.-изд. л. 13,91. Тираж 80. Заказ 1447. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/173 от 12.02.2014. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.