Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

Министерство образования Российской Федерации

Кафедра: «Электронное машиностроение».

Курсовой проект

Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

Выполнил: ст-т гр. ЭПУ - 32

Козачук Виталий Михайлович

Проверил: доцент

Шумарин Виктор Пракофьевич

Саратов 2000 г.

СБОРКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Особенности процесса сборки

Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является наиболее трудоемким и ответственным технологическим этапом в общем цикле их изготовления. От качества сборочных операций в сильной степени зависят стабильность электрических параметров и надежность готовых изделий.

Этап сборки начинается после завершения групповой обработки полупроводниковых пластин по планарной технологии и разделе­ния их на отдельные элементы (кристаллы). Эти кристаллы, могут иметь простейшую (диодную или транзисторную) структуру или включать в себя сложную интегральную микросхему (с большим количеством активных и пассивных элементов) и поступать на сборку дискретных, гибридных или монолитных композиций.

Трудность процесса сборки заключается в том, что каждый класс дискретных приборов и ИМС имеет свои конструктивные особенности, которые требуют вполне определенных сборочных операций и режимов их проведения.

Процесс сборки включает в себя три основные технологические операции: присоединение кристалла к основанию корпуса; присоединение токоведущих выводов к активным и пассивным элементам полупроводникового кристалла к внутренним элементам корпуса; герметизация кристалла от внешней среды.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Присоединение кристалла полупроводникового прибора или ИМС к основанию корпуса проводят с помощью процессов пайки, приплавления с использованием эвтектических сплавов и приклеи­вания.

Основным требованием к операции присоединения кристалла является создание соединения кристалл - основание корпуса, об­ладающего высокой механической прочностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Пайка - процесс соединения двух различных деталей без их расплавления с помощью третьего компонента, называемого при­поем. Особенностью процесса пайки является то, что припой при образовании паяного соединения находится в жидком состоянии, а соединяемые детали - в твердом.

Сущность процесса пайки состоит в следующем. Если между соединяемыми деталями поместить прокладки из припоя и всю композицию нагреть до температуры плавления припоя, то будут иметь место следующие три физических процесса. Сначала рас­плавленный припой смачивает поверхности соединяемых деталей. Далее в смоченных местах происходят процессы межатомного вза­имодействия между припоем и каждым из двух смоченных им ма­териалов. При смачивании возможны два процесса: взаимное растворение смоченного материала и припоя или их взаимная диф­фузия. После охлаждения нагретой композиции припой переходит в твердое состояние. При этом образуется прочное паяное соедине­ние между исходными материалами и припоем.

Процесс пайки хорошо изучен, он прост и не требует сложного и дорогостоящего оборудования. При серийном выпуске изделий электронной техники припайка полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов производится в конвейерных печах, обла­дающих высокой производительностью. Пайка проводится в вос­становительной (водород) или нейтральной (азот, аргон) среде. В печи загружают многоместные кассеты, в которые предваритель­но помещают основания корпусов, навески припоя и полупроводни­ковые кристаллы. При движении конвейерной ленты кассета с сое­диняемыми деталями последовательно проходит зоны нагрева, постоянной температуры, охлаждения. Скорость движения кассеты и температурный режим задают и регулируют в соответствии с тех­нологическими и конструктивными особенностями конкретного типа полупроводникового прибора или ИМС.

Наряду с конвейерными печами для припайки полупроводнико­вого кристалла к основанию корпуса используют установки, кото­рые имеют одну индивидуальную нагреваемую позицию, на которую устанавливают только одну деталь корпуса (ножку) и один полупроводниковый кристалл. При работе на такой установке оператор с помощью манипулятора устанавливает кристалл на основание корпуса и производит кратковременный нагрев соединя­емого узла. В зону нагрева подается инертный газ. Этот способ соединения деталей дает хорошие результаты при условии предва­рительного облуживания соединяемых поверхностей кристалла и основания корпуса.

Процесс присоединения кристалла пайкой подразделяют на низкотемпературный (до 400°С) и высокотемпературный (выше 400°С). В качестве низкотемпературных припоев используют спла­вы на основе свинца и олова с добавками (до 2%) сурьмы или вис­мута. Добавка сурьмы или висмута в оловянно-свинцовый припой позволяет избежать появления «оловянной чумы» в готовых при­борах и ИМС при их эксплуатации и длительном хранении. Высо­котемпературные припои изготовляют на основе серебра (ПСр-45, ПСр-72 и др.).

На технологический процесс пайки и качество полученного пая­ного соединения деталей сильное влияние оказывают чистота сое­диняемых металлических поверхностей и применяемого припоя, состав атмосферы рабочего процесса и наличие флюсов.

Наиболее широкое применение процесс пайки находит при сборке дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзис­торов, тиристоров и Др.). Это объясняется тем, что процесс пайки дает возможность получить хороший электрический и тепловой контакт между кристаллом полупроводника и кристаллодержателем корпуса, причем площадь контактного соединения может быть достаточно большой (для приборов большой мощности).

Особое место процесс пайки занимает при закреплении полу­проводникового кристалла большой площади на основании корпу­са из меди. В этом случае для снижения термомеханических напря­жений, возникающих за счет разницы в температурных коэффици­ентах расширения полупроводниковых материалов и меди, широко используют молибденовые и молибденовольфрамовые термоком­пенсаторы, имеющие площадь, равную площади полупроводнико­вого кристалла, а ТКl—близкий к ТКl полупроводника. Такая сложная многоступенчатая композиция с двумя прослойками из припоя с успехом используется при сборке полупроводниковых приборов средней и большой мощностей.

Дальнейшее развитие процесс пайки получил при сборке интег­ральных микросхем по технологии «перевернутого кристалла». Эта технология предусматривает предварительное создание на планарной стороне кристалла с ИМС «шариковых выводов» или «контакт­ных выступов», которые представляют собой бугорки из меди, покрытые припоем или оловом. Такой кристалл располагают на поверхности подложки или на основании корпуса так, чтобы бугор­ки соприкасались с ней в определенных участках. Таким образом, кристалл переворачивается и его планарная сторона посредством бугорков контактирует с поверхностью основания корпуса.

При кратковременном нагреве такой композиции происходит прочное соединение контактных выступов полупроводникового кристалла с основанием корпуса. Следует отметить, что те участки поверхности корпуса, с которыми соприкасаются «выступы», пред­варительно тоже облуживаются. Поэтому в момент нагрева проис­ходит соединение припоя основания корпуса с припоем контактных вы­ступов.

На рис. 1, а показан вариант присоединения   кристалла ИМС, имеющего медные облуженные кон­тактные выступы, к подложке. Та­кая конструкция выводов не боится растекания припоя по подложке. Наличие высокого грибообразного выступа обеспечивает необходимый зазор между полупроводниковым кристаллом и подложкой при расплавлении припоя. Это позволяет проводить присоединение кристалла к подложке с высокой степенью точ­ности.

На рис. 1, в показан вариант сборки кристаллов, имеющих мяг­кие столбиковые выводы из припоя на основе олово-свинец.

Присоединение такого кристалла к основанию корпуса проводят обычным нагревом без дополнитель­ного давления на кристалл. Припой контактных выступов при нагрева­нии и расплавлении не растекается по поверхности облуженных участ­ков основания корпуса за счет сил поверхностного натяжения. Это, кроме того, обеспечивает определен­ный зазор между кристаллом и под­ложкой.

Рассмотренный метод присоединения кристаллов ИМС к осно­ванию корпуса или к какой-либо плате позволяет в значительной степени механизировать и автоматизировать технологический про­цесс сборки.

Приплавление с использованием эвтектических сплавов. Этот способ присоединения полупроводниковых кристаллов к основанию корпуса основан на образовании расплавленной зоны, в которой происходит растворение поверхностного слоя полупроводникового материала и слоя металла основания корпуса.

В промышленности широкое применение получили два эвтекти­ческих сплава: золото-кремний (температура плавления 370°С) я золото-германий (температура плавления 356°С). Процесс эвтектического присоединения кристалла к основанию корпуса имеет две разновидности. Первый вид основан на использовании прокладки из эвтектического сплава, которая располагается между соединяемыми элементами: кристаллом и корпусом. В этом виде соединения поверхность основания корпуса должна иметь зо­лотое покрытие в виде тонкой пленки, а поверхность полупроводни­кового кристалла может не иметь золотого покрытия (для кремния и германия) или быть покрытой тонким слоем золота (в случае присоединения других полупроводниковых материалов). При на­греве такой композиции до температуры плавления эвтектического сплава между соединяемыми элементами (кристалл-основание корпуса) образуется жидкая зона. В этой жидкой зоне происходит с одной стороны растворение слоя полупроводникового материала кристалла (или слоя золота, нанесенного на поверхность кри­сталла).

После охлаждения всей системы (основание корпуса - эвтектический расплав-полупроводниковый кристалл) происходит за­твердевание жидкой зоны эвтектического сплава, а на границе полупроводник-эвтектический сплав образуется твердый раствор. В результате этого процесса создается механически прочное соеди­нение полупроводникового материала с основанием корпуса.

Второй вид эвтектического присоединения кристалла к основа­нию корпуса обычно реализуется для кристаллов из кремния или германия. В отличие от первого вида для присоединения кристал­ла не используется прокладка из эвтектического сплава. В этом случае жидкая зона эвтектического расплава образуется в резуль­тате нагрева композиции позолоченное основание корпуса-кри­сталл кремния (или германия). Рассмотрим подробнее этот процесс. Если на поверхность основания корпуса, имеющего тонкий слой золотого покрытия, поместить кристалл кремния, не имеющий золотого покрытия, и всю систему нагреть до температуры на 40-50°С выше температуры эвтектики золото-кремний, то между соединяемыми элементами образуется жидкая фаза эвтектического состава. Так как процесс сплавления слоя золота с кремнием явля­ется неравновесным, то количество кремния и золота, растворив­шихся в жидкой зоне, будет определяться толщиной золотого по­крытия, температурой и временем проведения процесса сплавления. При достаточно больших выдержках и постоянной температуре процесс сплавления золота с кремнием приближается к равновес­ному и характеризуется постоянным объемом жидкой фазы золо­то-кремний. Наличие большого количества жидкой фазы может привести к вытеканию ее из-под кристалла кремния к его перифе­рии. При затвердевании вытекшая эвтектика приводит к образова­нию достаточно больших механических напряжений и раковин в структуре кристалла кремния, которые резко снижают прочность сплавной структуры и ухудшают ее электрофизические параметры.

При минимальных значениях времени и температуры сплавление золота с кремнием происходит не равномерно по всей площади соприкосновения кристалла с основанием корпуса, а лишь в ее от­дельных точках.

В результате этого уменьшается прочность сплавного соедине­ния, увеличиваются электрическое и тепловое сопротивления кон­такта и снижается надежность полученной арматуры.

Существенное влияние на процесс эвтектического сплавления оказывает состояние поверхностей исходных соединяемых элемен­тов. Наличие загрязнений на этих поверхностях приводит к ухуд­шению смачивания контактирующих поверхностей жидкой фазой и неравномерному растворению.

Приклеивание-это процесс соединения элементов друг с дру­гом, основанный на клеящих свойствах некоторых материалов, которые позволяют получать механически прочные соединения между полупроводниковыми кристаллами и основаниями корпусов (металлическими, стеклянными или керамическими). Прочность склеивания определяется силой сцепления между клеем и склеива­емыми поверхностями элементов.

Склеивание различных элементов интегральных схем дает воз­можность соединять самые разнообразные материалы в различных сочетаниях, упрощать конструкцию узла, уменьшать его массу, снижать расход дорогостоящих материалов, не применять припоев и эвтектических сплавов, значительно упрощать технологические процессы сборки самых сложных полупроводниковых приборов и ИМС.

В результате приклеивания можно получать арматуры и слож­ные композиции с электроизоляционными, оптическими и токопроводящими свойствами. Присоединение кристаллов к основанию корпуса с помощью процесса приклеивания незаменимо при сборке и монтаже элементов гибридных, монолитных и оптоэлектронных схем.

При приклеивании кристаллов на основания корпусов применя­ют различные типы клеев: изоляционные, токопроводящие, светопроводящие и теплопроводящие. По активности взаимодействия между клеем и склеиваемыми поверхностями различают полярные (на основе эпоксидных смол) и неполярные (на основе полиэти­лена).

Качество процесса приклеивания в значительной степени зави­сит не только от свойств клея, но и от состояния поверхностей склеиваемых элементов. Для получения прочного соединения необ­ходимо тщательно обработать и очистить склеиваемые поверхно­сти. Важную роль в процессе склеивания играет температура. Так, при склеивании элементов конструкций, которые не подвергаются в последующих технологических операциях воздействию высоких температур, можно использовать клеи холодного отверждения на эпоксидной основе. Для приклеивания кремниевых кристаллов к металлическим или керамическим основаниям корпусов обычно используют клей ВК-2, представляющий собой раствор кремний-органической смолы в органическом растворителе с мелкодиспергированным асбестом в качестве активного наполнителя или ВК-32-200, в котором в качестве наполнителя используют стекло или кварц.

Технологический процесс приклеивания полупроводниковых кристаллов проводят в специальных сборочных кассетах, обеспе­чивающих нужную ориентацию кристалла на основании корпуса и необходимое прижатие его к основанию. Собранные кассеты в зависимости от используемого клеящего материала подвергают определенной термической обработке или выдерживают при ком­натной температуре.

Особые группы составляют электропроводящие и оптические клеи, используемые для склеивания элементов и узлов гибридных и оптоэлектронных ИМС. Токопроводящие клеи представляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийорганических смол с добавлением порошков серебра или никеля. Среди них наи­более широкое распространение получили клеи АС-40В, ЭК-А, ЭК-Б, К-3, ЭВТ и КН-1, представляющие собой пастообразные жидкости с удельным электрическим сопротивлением 0,01- 0,001 Ом-см и диапазоном рабочих температур от -60 до +150°С. К оптическим клеям предъявляют дополнительные требования по значению коэффициентов преломления и светопропускания. Наи­более широкое распространение получили оптические клеи ОК.-72 Ф, ОП-429, ОП-430, ОП-ЗМ.

Присоединение выводов

В современных полупроводниковых приборах и интегральных мик­росхемах, у которых размер контактных площадок составляет несколько десятков микрометров, процесс присоединения выводов является одним из самых трудоемких технологических операций.

В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам интегральных схем используют три разновидности сварки: термокомпрессионную, электроконтактную и ультразву­ковую.

Страницы: 1, 2