Электрический монтаж кристаллов ИМС на коммутационных платах микросборок

Таблица 7.13. Свойства электро- и теплопроводящих клеев на эпоксидной основе

Точную дозировку по толщине и площади клеевого слоя обеспечива­ют пленочные клеи. Эти клеи представляют собой неполимеризованный подсушенный клей в виде пленки, которую можно разрезать на заготовки нужных размеров и формы. Такие пленки выпускают специализированные заводы в виде лент на основе различных клеев. Широкое применение для крепления подложек гибридных МС к основанию корпуса нашли, в частно­сти, пленки на основе метилполиамиднофенольного клея МПФ-1. Непо­средственно перед монтажом для активации поверхности заготовки пленоч­ного клея ее погружают на 1...2 с в этиловый спирт. Далее установленные пленку и подложку помещают в прижимное приспособление с резиновой прокладкой, где выдерживают 1...2 мин. После сушки на воздухе не менее 30 мин изделие подвергают термообработке в термостате (температуру по­вышают до 150 °С в течение 1 ч, выдерживают 2 ч и охлаждают вместе с термостатом до 30...40 °С).

Пайка стеклами позволяет достичь хорошего согласования соеди­няемых материалов по ТКР, так как, варьируя состав стекла, можно изме­нять его ТКР в широких пределах. К легкоплавким стеклам относят стекла, температура размягчения которых не превышает 550 °С. Эти стекла имеют более высокий ТКР (С84-1, С88-1, С89-3, С90-1, для которых ТКР соответ­ственно равны (8,4; 8,8; 8,9 и 9,0)-10"⁶ К~'). Для часто используемых сочета­ний материалов «ковар—ситалл, поликор, кремний» применяют стекла с ТКР порядка (5... 7)- Ю"⁶ К"¹, т. е. тугоплавкие (например, С-50).

Использование относительно тугоплавких стекол практически исклю­чает возможность припайки кристаллов стеклом на подложках гибридных пленочных МС и микросборок. Пайку стеклом в основном применяют для крепления керамических, поликоровых и ситалловых подложек. Наилучшая адгезия стекла и, следовательно, прочность соединения обеспечиваются с материалами, представляющими собой смеси окислов (ситалл, поликор, ке­рамика 22ХС), или с металлами, имеющими на поверхности прочный слой окисла.

Технология пайки стеклом сводится к нанесению суспензии (пасты) стеклянного порошка в деионизованной воде на очищенную поверхность, сжатию соединенных деталей в приспособлении-кассете, сушке и после­дующему оплавлению в печи с контролируемой атмосферой.

Пайка металлическими сплавами обеспечивает высокую электро­проводность соединения, механическую прочность, хорошее согласование по ТКР. Благодаря высокой теплопроводности и малой теплоемкости метал­лических сплавов, необходимое время для плавления и получения соедине­ния достаточно мало, что делает целесообразным выполнение этих опера­ций на специальных установках последовательного присоединения кристал­лов с высоким уровнем механизации и автоматизации.

В качестве присоединительного слоя можно использовать мягкие при­пои, такие, как Аи—Sn (80 масс. % и 20 масс. %; t_m = 280 °С), Pb—Sn—Ag (92, 5,5 и 2,5 масс. %; /щ, = 300 °С) и др. Припой вводят в место соединения в виде фольговых дисков или наносят в виде пасты трафаретным способом. Необходимым условием качественного соединения является высокая смачи­ваемость соединяемых поверхностей припоем. Для этого кристаллы на ус­тановочной плоскости должны иметь слой металлизации (золото, серебро или никель с подслоем хрома), который осаждают на этапе групповой обра­ботки на обратную (нерабочую) сторону групповой пластины. Соответст­вующая площадка для установки кристалла на подложку (или на основание корпуса) должна иметь никелевое или золотое покрытие.

Пайка мягкими припоями допускает при необходимости демонтаж припаянного кристалла. В то же время относительно низкая температура плавления припоя ограничивает технологическую температуру на после­дующих операциях присоединения выводов и герметизации МС.

Более высокую температуру плавления (370 °С) имеет эвтектический сплав Аи—Si (94 и б масс. %), который в виде фольгового диска помещают между кристаллом и основанием. Для улучшения смачивания кристалла припоем целесообразны золочение поверхности кристалла и ультразвуковые колебания инструмента, прижимающего кристалл. Рабочую температуру устанавливают в пределах 390...420 °С, т. е. выше температуры эвтектики. Время пайки 3...5 с, давление инструмента 1...3 Н/мм².

При пайке любыми эвтектическими сплавами температура плавления сплава невысокая (наименьшая для данной системы). Кристаллизация про­исходит одновременно по всему объему, т. е. скачкообразный переход из жидкой фазы в твердую обеспечивает мелкозернистость структуры слоя и, следовательно, повышенную прочность.

Разновидностью пайки эвтектическим сплавом Аи—Si является со­единение кремниевого кристалла с золоченой поверхностью основания (подложки или корпуса) за счет контактного плавления без введения припоя (контактно-реактивная пайка). При использовании этого метода нижняя поверхность кристалла должна быть освобождена от пассивной пленки, что достигается стравливанием двуокиси кремния с групповой пластины до разделения. Соответствующие площадки на ситалловой или поликоровой подложке можно получить вакуумным осаждением золота. Площадку на основании металлического корпуса целесообразно форми­ровать локальным гальваническим золочением. Позолоченные площадки на керамических подложках или основаниях корпусов получают вжига-нием золотой пасты ПЗП-3 при температуре 950 °С. При сжатии крем­ниевого кристалла с позолоченной поверхностью с усилием ~0,8 Н при температуре 390...420 °С происходит взаимная диффузия (растворение в

твердой фазе) золота и кремния. Вследствие плавного изменения концен­трации компонентов по нормали к соединяемым поверхностям образует­ся слой, состав которого близок к эвтектическому. При температуре на­грева этот слой переходит в жидкую фазу. С момента возникновения жидкой фазы процессы диффузии и растворения ускоряются, а расплав­ленный слой быстро расширяется.

Поскольку все виды пайки металлическими припоями, включая пайку контактным плавлением, можно выполнять на механизированных установ­ках, применение флюсов в этих условиях снизило.бы эффективность ис­пользования таких установок. Поэтому пайку обычно проводят в защитной или защитно-восстановительной среде путем подачи соответствующего газа через миниатюрное сопло в зону пайки. Этот же газ используют для охлаж­дения полученного соединения.

На площадку для пайки кристалл (а также прилежный диск) устанав­ливают вакуумным пинцетом из кассет с ориентированными кристаллами. Пинцет является инструментом, выполняющим соединение.

Укладка ориентированных кристаллов в кассеты (после скрайбирова-ния, ломки групповой пластины и отбраковки дефектных кристаллов) тре­бует трудоемкой и утомительной ручной работы или специальных сортиро­вочных автоматов. Поэтому представляют интерес различные способы, по­зволяющие сохранить ориентацию кристаллов после ломки групповой пластины. Один из способов заключается в том, что групповая пластина, прошедшая операции зондового контроля и скрайбирования, наклеивается на эластичную пленку. Ломку пластины проводят прокатыванием ролика по поверхности пластины. Далее пленка на специальном приспособлении рас­тягивается по двум осям (при этом кристаллы раздвигаются, сохраняя ори­ентацию) и в этом положении фиксируется. После подогрева пленки де­фектные кристаллы удаляют вакуумным пинцетом, а остальные погружают в ванночку с растворителем, сушат и переносят в кассету. Описанный спо­соб лежит в основе работы установки ЭМ-226, производительность которой составляет 40 пластин в 1 ч диаметром 80 мм.

Установки для пайки кристаллов (ЭМ-438А, ЭМ-438М) работают в автоматическом и полуавтоматическом режимах. В автоматическом ре­жиме рабочий цикл непрерывно повторяется с определенным тактом, а кассета с корпусами (или отрезок ленты с выводами) перемещается с ка­ждым циклом автоматически на определенный шаг. В полуавтоматиче­ском режиме для выполнения очередного цикла необходим пуск установ­ки оператором. Полуавтоматический режим используют при ручной ус­тановке корпусов на рабочую позицию, а также в процессе наладки установки. Технические характеристики установки присоединения кри­сталлов ЭМ-438 следующие:

Кинематическая производительность, кристалл/ч........ 2500

Пределы регулирования усилия сжатия, Н................... 0,85...3

Время пайки, с............................................................ 0,1...10

Температура нагрева рабочей зоны, °С........................ 250...450

Температура нагрева инструмента, °С......................... 120...300

Давление защитного газа, МПа.................................. 0,15

Вакуум, кПа................................................................ 26,6...46,6

Бесступенчатая регулировка шага подачи ленты, мм... 2...24

Размеры, мм................................................................ 1020x840x1370

Масса, кг..................................................................... 165

Рабочий цикл включает в себя следующие приемы, выполняемые ав­томатически: захват кристалла инструментом (с вакуумным прижимом), включение нагрева инструмента, перемещение корпуса (ленты) на шаг, ус­тановку кристалла, выключение вакуума, включение ультразвукового гене­ратора, пайку, выключение подогрева инструмента и ультразвукового гене­ратора, включение обдува, подъем инструмента и выключение обдува.

Электромонтаж бескорпусных кристаллов ИМС заключается в элек­трическом соединении контактных монтажных площадок на поверхности кристалла с контактными монтажными площадками на поверхности комму­тационной платы. Обычно кристалл предварительно фиксируют на плате клеем или припоем. Во втором случае групповая пластина до разделения ее на отдельные кристаллы должна быть металлизирована со стороны, проти­воположной структурам, металлом, который хорошо смачивается припоем. Облуженными должны быть также площадки на плате, на которые устанав­ливаются кристаллы.

В производстве нашли применение три способа электромонтажа: гиб­кими проволочными перемычками круглого сечения (проволочный монтаж), гибкими ленточными перемычками прямоугольного сечения (ленточный монтаж) и жесткими объемными выводами, предварительно выращенными на кристалле.