Ультразвуковую сварку выполняют в интервале частот от 18 до 250 кГц. Ультразвуковые колебания, воздействуя на сое­динение, нагревают его, освобождают от загрязнений и оксидов поверхности в зоне контакта, ускоряют пластическую деформа­цию электродных выводов. В результате происходит сближение физически чистых поверхностей на расстояние действия меж­атомных сил, взаимная диффузия и прочное соединение двух материалов.

При ультразвуковой сварке не используют флюсы и припои, что яв­ляется ее основным достоинством. Кроме того, этим способом можно соединять разнородные, разнотолщинныс и трудносвариваемые мате­риалы.

Так, с помощью ультразвука хорошо свариваются электрод­ные выводы из золота и алюминия с золотым покрытием, нане­сенным на ситалл по подслою нихрома; алюминиевые электрод­ные выводы с алюминиевой пленкой, нанесенной на стекло, кремний или диоксид кремния; золотые, алюминиевые и мед­ные проволочные выводы ИМС с золотым покрытием, осажден­ным на ковар по подслою никеля.

Установки ультразвуковой сварки оснащаются различными системами передачи ультразвуковых колебаний к месту контак­та свариваемых материалов. Так, для приварки проволочных выводов ИМС обычно применяют ультразвуковую продолъно-поперечную колебательную систему с инструментом, совершаю­щим колебания изгиба (Рисунок 8.4.3).

Ультразвуковые колебания от преобразователя 1 передают­ся по концентратору (волноводу) 2 к расположенному перпен­дикулярно ему сварочному инструменту 3, которой, в свою очередь, передаёт их проволочному элетродному выводу 4 и кристаллу 5. Инструмент, совершая колебания изгиба, воздействует на электродный вывод, притирая его к кристаллу. При этом поверхности контакта очищаются, нагреваются, сближаются и происходит взаимная диффузия атомов.

Рисунок 8.4.3. Ультразвуковая продольно-поперечная коле­бательная система:

1 - преобразователь (вибратор), 2 - концентратор (волновод), 3 - инструмент, 4 - электродный вы­вод, 5 - контактная площадка кристалла, б - уст­ройство крепления, 7, 8 - обмотки возбуждения и подмагничивания
Прочность соединений, полученных ультразвуковой свар­кой, зависит от амплитуды и частоты ультразвуковых колебаний инструмента, контактного усилия, прикладываемого к сваривае­мым деталям, состояния их поверхностей, времени сварки и мощности колебательной системы.

Амплитуду и частоту колебаний инструмента для каждой пары деталей определенной толщины подбирают опытным пу­тем, так как от них зависит динамическая нагрузка, передавае­мая в зоне контакта. Так, для соединения деталей небольшой толщины используют малые амплитуды (0,005-0,015 мм) и повышенные частоты (до 100 кГц).

Пластическая деформация материалов зависит от их физи­ко-механических свойств, толщины и приложенного контактно­го усилия, а также состояния поверхностей. Так, для электрод­ных выводов диаметром От 20 до 50 мкм контактное усилие ле­жит в пределах 0,05 ЎЄ 1 Н.

Мощность колебательной системы определяется конструк­цией установки, а время сварки зависит от выбранных ампли­туды и частоты колебаний инструмента, контактного усилия, а также свойств свариваемых материалов, их толщины и обычно составляет от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды.

Свариваемые поверхности должны быть чистыми, не иметь жировых пленок и грубых дефектов. Следует помнить, что основным условием высококачественной ультразвуковой свар­ки является свободное контактирование соединяемых поверх­ностей. ,

Интенсификации процесса ультразвуковой сварки способ­ствует косвенный импульсный нагрев инструмента. Одновремен­ное воздействие ультразвуковых колебаний на соединяемые детали и импульсного нагрева инструмента повышает прочность, уменьшает деформацию выводов и позволяет сваривать трудно-свариваемые материалы.

8.5 Методы и материалы для герметизации кристаллов и плат

Под герметичностью понимают способность замкнутой конструкции не пропускать газ (жидкость) .

Абсолютно непроницаемых конструкций не существует поэтому герметичность характеризуется допустимой утечкой (течыо) газа (жидкости), измеряемой в единицах потока. Поток газа или жидкости через микроотверстия выражают единицей объема при определенном давлении за определенное время, т.е. в м3•Па/с (1,32•10-4 м3•Па/с = 1 л•мкм рт. ст./с).

Корпуса полупроводниковых приборов и ИМС считаются герметичными при натекании гелия не более 1,32-10"9 м3-Па/с, Герметизация является одной из важнейших заключительных операций технологического процесса производства полупровод­никовых приборов и ИМС, так как обеспечивает их надежность и долговечность при механических и климатических воздейст­виях в условиях эксплуатации. Кроме того, герметизация яв­ляется последней операцией сборки полупроводниковых прибо­ров и ИМС и от качества ее выполнения зависит выход годных изделий.

Подсчитано, что трудоемкость сборочных операций (вместе с герметизацией) некоторых массовых изделий микроэлектро­ники (транзисторов, ИМС) превышает трудоемкость всех дру­гих операций. Забракованные негерметичные приборы пред­ставляют собой довольно дорогие и почти готовые изделия, что заставляет с особой тщательностью относиться к процессам гер­метизации.

Постоянное стремление к повышению компактности, мини­атюризации и быстродействия электронных систем вызывает увеличение плотности рассеиваемой мощности (особенно в ИМС), что усложняет теплоотвод от активных элементов, вы­зывая дополнительные требования к конструкции корпусов и способам их герметизации. В настоящее время установлено, что конструктивное исполнение корпусов и их герметизация не менее сложны, чем создание электронно-дырочных перехо­дов. Исследования показали, что проникновение в процес­се эксплуатации в корпус транзистора даже ничтожного количества влаги может вызвать нестабильность его пара­метров.

Такие способы герметизации корпусов полупроводниковых приборов, как заливка пластмассой, склеивание специальными клеями, стеклоцементами, глазурями или лаками, заварка стек­лом, а также различные виды сварки и пайки, имеют свои дос­тоинства и недостатки.

Герметизация пластмассой, например, пригодна для мас­сового производства изделий микроэлектроники широкого при­менения. Приборы в пластмассовой оболочке характеризуются низкой стоимостью, хорошим внешним видом, групповой технологией производства. Но пластмассовая герметиза­ция не обеспечивает требуемой герметичности при испыта­ниях на климатические воздействия и в условиях эксплуа­тации.

Некоторые корпуса герметизируют, приклеивая керами­ческую крышку к металлокерамическому основанию корпуса. Такая герметизация надежна, не требует дорогостоящего обору­дования, но процессы нанесения и отверждения клея довольно длительны.

Герметизацию стеклоцементами, глазурями, лаками и стек­лом применяют ограниченно.

Герметизация корпусов пайкой. В производстве изделий микроэлектроники герметизацию корпусов пайкой используют относительно редко, так как кро­ме, сравнительной простоты (не требуются сложные оснастка, инструмент, оборудование; процесс выполняется без приложе­ния значительных давлений) она имеет ряд недостатков. Так, при герметизации пайкой необходим нагрев полупроводнико­вых приборов и ИМС до 200ЎЄ420 °С, что ухудшает их парамет­ры. Характерными видами брака при герметизации пайкой яв­ляются образование щелей (непропай) в соединениях, затекание припоя и флюса внутрь корпуса, перекосы деталей, частичное несмачивание поверхностей припоем и др. Кроме того, детали, предназначенные для пайки, должны иметь очень малые откло­нения по плоскопараллельности и зазорам.

При герметизации деталей корпусов пайкой используют кос­венный контактный и бесконтактный нагрев, горячий инертный газ или газопламенный источник.

При пайке с косвенным контактным на­гревом герметизируемый корпус укладывают на нагрева­тель, разогревают вместе с припоем до необходимой температу­ры и накрывают крышкой, а затем прижимают ее и охлаждают корпус. Обычно такую пайку выполняют в среде защитного газа. Недостатком ее являются сложность равномерного нагрева кор­пуса и необходимость тщательной подгонки посадочного места нагревателя к корпусам разных размеров для создания хоро­шего теплового контакта.

При пайке с косвенным бесконтактным нагревом (в конвейерных газовых печах) получают лучшие результаты, так как в этом случае повышаются качество герме­тизации и производительность. Однако пайка в конвейерных пе­чах требует большого количества сложных кассет, а сам процесс недостаточно управляем.

Пайка в струе нагретого инертного газа получила наибольшее распространение. Этим способом, напри­мер, герметизируют корпуса с локальным золочением деталей только в местах соединения, используя в виде отдельной детали припой, состоящий из 99-99,5 % олова и 0,1-1,0 % висмута (сурьмы или серебра). Локальное золочение хотя и усложняет герметизацию, но ограничивает растекание припоя и снижает расход золота. Толщина золотого покрытия составляет не более 1,5-2 мкм.

Пайку в струе нагретого инертного газа применяют также для герметизации металлокерамических корпусов с предвари­тельным нанесением слоя припоя олово ЎЄ висмут толщиной не менее 0,15 мм по периферии крышки. В этом случае на корпус по периметру, соответствующему форме крышки, также нано­сят слой золота. При нагреве соединяемых деталей струей горя­чего газа слой припоя на крышке плавится, смачивает золотое покрытие и герметизирует корпус.

Иногда никелевые крышки золотят в кислом электролите, используют припой слово-висмут-индий и нагрев в струе го­рячего инертного газа. В процессе образования паяного соеди­нения золотое покрытие полностью растворяется в припое, который взаимодействует с чистой поверхностью никеля, нахо­дящегося под золотом, образуя после кристаллизации прочное герметичное соединение. Шов представляет собой слой припоя с мелкими включениями частиц золота и олова.

Газопламенная пайка с использованием припоя ПОС61 и ф л ю с а, при которой крышку корпуса нагревают подвижным водородно-кислородным пламенем, яв­ляется довольно производительным процессом герметизации (в 8-10 раз выше по сравнению с пайкой косвенным контакт­ным нагревом). Между тем при термических испытаниях таких корпусов на надежность они могут стать негерметичными, так как золотое покрытие крышки в зоне шва не полностью раство­ряется в припое. Оставшийся слой золота при термических ис­пытаниях и эксплуатации приборов или ИМС переходит в припой постепенно и связь крышки с припоем нарушается. Слой золота, который в данном случае применяют для улучшения смачивае­мости, должен быть не более 2-3 мкм, что обеспечивает его полное растворение в припое.

Кроме того, при герметизации полупроводниковых прибо­ров и ИМС пайкой используют микроплазменный нагрев.

Герметизиция корпусов контактной контурной электросваркой. Широкое внедрение в производство контактной контурной электросварки стало возможным в связи с созданием промыш­ленного сварочного оборудования и разработкой новых конст­рукций корпусов, пригодных для герметизации этим способом.

В качестве аккумулирующей системы в установках контакт­ной контурной электросварки обычно используется батарея электролитических конденсаторов. Электрическая энергия, на­капливаемая при заряде конденсаторов от источника постоян­ного напряжения (выпрямителя), расходуется при их разряде, превращаясь в процессе сварки в тепловую энергию.

Достоинствами этого вида сварки являются: постоянный расход электроэнергии, что обеспечивает высокую воспроизводимость результатов; кратковременность и концентрированное тепловыделение в месте соединения, обеспечивающее минимальную зону нагрева свариваемых металлов, непосредственно окружающую сварной шов; возможность качественного соединения разнородных металлов и сплавов, плохо сва­риваемых или совсем не свариваемых другими способами.

Кроме того, конденсаторная сварка способствует выравни­ванию фазовой нагрузки и повьпцению коэффициента мощности питающей электросети.

Основными элементами установки контактной контурной электросварки (Рисунок 8.5.1) являются выпрямитель В, преобра­зующий переменный ток в постоянный, батарея конденсаторов С для накопления (аккумулирования) электроэнергии и переключатель П для последова­ло тельного соединения батареи конденсаторов с источником пи­

Рис 8.5.1. Электрическая схема установки контактной контурной электросварки

При контактной электросварке соединяемые детали нагре­ваются теплотой, выделяющейся при прохождении через них сварочного тока. Известно два метода нагрева деталей при кон­тактной электросварке: сопротивлением или сопротивлением и оплавлением.

9 Толстопленочная технология

Структурная схема типового технологического процесса. Пасты для проводящих, резисторных и диэлектрических элементов, их характеристики. Методы формирования рисунка. Трафаретная печать. Технология нанесения и вжигания паст. Корректировка номиналов то лето пленочных элементов.

Основные требования, предъявляемые к пастам: возможность нане­сения их через трафарет и термообработка (вжигание); воспроиэводимость свойств; хорошая адгезия к подложке; совместимость с дру­гими элементами; соответствующие электрические свойства; способ­ность к пайке и термокомпрессии.

Плата должна быть определенной величиной текучести. Слишком большая текучесть приводит к растеканию пасты и искажению рисун­ка, а «алая текучесть - к плохому продавливанию пасты через тра­фарет.

В качестве наполнителей проводниковых паст используются порош­ки металлов и сплавов с размером частиц не более 5 мкм. Размеры и форма частиц оказывают сильное влияние на физические и электрические свойства толстых пленок. Наполнители наст должны обладать крайне низкой химической активностью при высоких температурах термообработки в оксидирующей среде и при соприкосновении с хи­мически активным стеклом, а также должны быть восприимчивы ft ус­тойчивы (нерастворимы) к воздействий припоя, применяемого при монтаже пайкой. Это объясняется применение в качестве наполните­лей благородных металлов: золота, серебра, сплавов золото-палла­дий, золото-платина,. серебро-палладий и др. Сравнительная оценка проводниковых паст на основе различных наполнителей приведена В таблице 9.1.1.

Оценка дана по 5 - балльной системе, 1 - высший балл.

Наряду с приведенными В таблице 9.1.1 наполнителями для проводнико­вых паст применяются неблагородные металлы: медь, никель, алюми­ний, вольфрам, молибден. Они обеспечивают не только меньшую стои­мость паст, но и в ряде случаев лучшие параметры и стабильность при высоких температурах. Медь, например, является единственным металлом с высокой электропроводностью, к которому можно подсое­динять внешние выводы как сваркой, так и пайкой. Кроме того, медь имеет хорошую адгезию к алюмокерамическим подложкам, высокую теплопроводность, стойкость к выщелачиванию, и радиации, хорошие свойства в диапазоне СВЧ.

В качестве наполнителей резистивных паст применяется серебро, золото, палладий, платина, рений, окислы таллия, рутения, рения, палладия, а также различные композиции: серебро-палладий-оксид палладия, серебро-оксид рутения, висмут-рутений, рутений-иридий, платина-оксид иридия и др. Толстопленочные резисторы имеют номи­налы сопротивлений от 1 до 10 Ом, удельное сопротивление от 1 до 107 Ом/а и широкий диапазон значений ТКС.

При изготовлении диэлектрических паст для конденсаторов в ка­честве наполнителей применяют смеси порошков керамических материа­лов и флюсов, а также стекла и ферроэлектрических материалов. Например, пасты на основе композиции титанат бария - оксид титана -оксид алюминия - легкоплавкое стекло имеют диэлектрическую прони­цаемость от 10 до 2000.

Диэлектрики для межуровневой изоляции проводников изготавлива­ют на основе стеклокерамических материалов. Но сравнению с ди­электриками для конденсаторов они обладают меньшей диэлектриче­ской проницаемостью.

В качестве постоянного связующего в состав паст входят стекла, которые не удаляются после формирования пленки и остаются в го­товом пленочном элементе. В проводниковой пасте, стекло служит для удерживания в контакте зерен наполнителя и для обеспечения адгезии толстой пленки к подложке. При выборе состава стекла необходимо учитывать зависимость его вязкости от температуры, смачивание подложки, химическую активность и коэффициент термиче­ского расширения. Эти свойства стекла влияют на режим термообра­ботки, на образование механических связей между зернами металли­ческого наполнителя, на удельное сопротивление пленки и процессы подсоединения выводов к контактным площадкам. От состава стекла в значительной степени зависит стабильность параметров резисто­ров. В диэлектрике, применяемом для межуровневой изоляции провод­ников, постоянное связующее является одновременно и основным функ­циональным компонентом. В диэлектрики конденсаторов стекло не должно вносить дефектов, приводящих к возникновению коротких замыканий между обкладками. В качестве постоянного связующего применяются легкоплавкие стекла: свинцово-боросиликатные, цинкоборо-силикатные, кадмиевые.

В качестве органических связующих и растворителей паст может применяться широкий набор материалов: этилцеллюдоза, воски, лано­лин, вазелиновое масло, циклогексан, жидкие смолы, органические растворители.

Органические связующие и растворители вводятся для обеспече­ния равномерного распределения частиц порошков различных компо­нентов в процессе приготовления пасты, для получения определен­ной консистенции и для придания пасте необходимой вязкости. При нанесении пасты на подложку органические связующие полностью удаляются в процессе термообработки. При неполном удалении орга­нических связующих в составе диэлектрика, например, остается уг­лерод, который резко повышает электропроводность.

Специальные добавки вводят в состав паст для улучшения адге­зии, паяемости, для придания пастам тиксотропности и др.

ТиксотроПностыо называется способность паст под действием механического давления увеличивать текучесть и затем после пре­кращения воздействия давления снова загустевать. Для придания пастам тиксотропных свойств в их состав вводят высокомолекуляр­ные соединения, например, фуранкарбоновую или терефталевую кис­лоты.
9.2 Методы формирования рисунка. Трафаретная печать.
Проводники. Проводники толстопленочных схем выполняются пу­тем нанесения через трафареты проводниковых паст.

Проводниковые пасты должны обеспечивать получение следующих характеристик композиции (после вжиганин):

Высокую удельную проводимость во избежание заметного падения напряжения и нагрева.

Высокую адгезию пленки с подложкой, поскольку непосредст­венно к ней присоединяются выводы и навесные элементы.

Возможность присоединения к поверхностям проводников мон­тажных проводов и навесных элементов пайкой или сваркой.

Композиция должна быть устойчива к воздействиям, связан­ным с выполнением технологических процессов, и выдерживать за­данные условия эксплуатации.

Толщина слоя проводника, например, на основе композиций палладий-серебро составляет 10-25 мкм, минимальная ширина (длина) проводника колеблется в пределах 0,15-0,20 мм при нанесении пас­ты на керамику и 0,20-0,30 мм при нанесении на слой диэлектрика. Минимальное расстояние между проводниковыми элементами 0,05-0,20 мм в зависимости от рецептурного состава пасты.

Резисторы. Резистивные пасты изготавливаются на основе более высокоомных функциональных материалов, обычно композиций: сереб­ро-палладий-окись палладия, серебро-окись рутения, висмут-руте­ний, рутений-иридий, платина-окись иридия. Резистивные пасты, из­готавливаемые на основе композиции палладий-серебро обеспечивают номинальные сопротивления резисторов от 25 Ом до 1 МОм. Сопротив­ление квадрата резистивной пленки соответствует ряду значений: 5,100,500,1000,3000,6000,20000,50000 Ом/а . Температурный коэф­фициент сопротивления подобных паст не превышает 800.10-6 1/град в интервале температур -60...+125 °С. Толщина резистивных пленок после вжигания составляет примерно 18-25 мкм.

Учет отношения длины пленочного резистора L к его ширине В является очень важным при проектировании толстопленочных резис­торов. Отношение сторон L/B или B/L никогда не должно превы­шать 10. Его лучше выбирать равным 3 или меньше. При проектирова­нии схемы следует избегать зигзагообразных резисторов или резис­торов в форме меандра. При такой геометрии на резисторе образу­ются области перегрева, а сопротивление резистора трудно подго­нять к номиналу. Минимальный размер резистора должен быть порядка 0,5x0,5 км, однако резисторы должны быть по возможности боль­шими для увеличения процента выхода годных и облегчения их по­следующей подгонки. Для обеспечения надежного электрического ко­нтакта резистор должен быть уже проводника на 0,25 мм (по 0,125 мм с каждой стороны), а длина перекрытия резистора проводником должна быть не меньше 0,125 мм (Рисунок 2.1).

Минимальное расстояние от края контактной площадки до края резистора должно быть не меньше 0,25 мм.

Расчет резисторов производится следующим образом. Номиналь­ное значение сопротивления резистора определяется по формуле

K=l/i, - коэффициент формы.

Максимальное значение Р принимается равна 52%. Расчетная дли­на резистора определяется из соотношения для Кф и по формуле (2.2). Расчет резисторов, имеющих Кф<1, начинают с определения длины, заменяя ширину В в формуле (2.2) на длину l .

Удельная мощность рассеяния резисторов на основе композиции палладий-серебро обычно принимается равной 3 Вт/сиг, однако тол­стопленочные резисторы могут быть нагружены и сильнее, до 6 Вт/ см и более (для паст других составов), при условии правильной организации охлаждения.

Конденсаторы. Диэлектрические пленки в толстопленочных микро­схемах применяются в качестве диэлектриков конденсаторов, межслойной изоляции, защитных слоев.

Диэлектрические пасты для конденсаторов изготавливаются на основе смеси керамических материалов и флюсов. Толщина диэлект­рических толстых пленок для конденсаторов после термической об­работки составляет 40-60 мкм.

Используя пленки, обеспечивающие удельную емкость Со= 3700 пФ/см2, изготавливают конденсаторы с номинальной емкостью от 500 до 300 пФ, а пленки с Со = 10000 пФ/см2 позволяют произво­дить конденсаторы в диапазоне от 100 до 2500 пФ. В большинстве толстопленочных гибридных схем и микросборок используются многослойные дискретные керамические конденсаторы, поскольку на пло­щади, необходимой для нанесения конденсатора с номиналом 300 пФ, можно расположить навесной многослойный конденсатор на 10000 пФ. Погрешность номинальной емкости конденсаторов обычно составляет ±15%. Пробивное напряжение не менее 150 В.

Величина диэлектрической проницаемости для диэлектрических паст конденсаторов на основе композиции титанат бария - окись титана - окись алюминия - легкоплавкое стекло составляет от 10 до 2000.