Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современное состояние технологии создания модулей для приборов бесконтактной идентификации 11
1.1. Технологии радиочастотной идентификации (RFID) 12
1.2. Особенности технологии плоских бесконтактных идентификаторов 23
1.3. Применение бескорпусной элементной базы в производстве бесконтактных идентификаторов 25
Выводы к главе I и постановка задач диссертации 36
Глава II. Исследование технологии прецизионного монтажа кристаллов микросхем при изготовлении плоских микромодулей 38
2.1 Обоснование технологических факторов, определяющих кинетику процесса формирования сварного соединения 38
2.2. Исследования по установлению оптимальных режимов ультразвуковой сварки плоских алюминиевых выводов на утоненных кристаллах 50
2.3. Разработка конструктивно-технологических ограничений на микросоединение для обеспечения плоскостности микромодуля 58
2.4. Исследование режимов сварки для формирования антенного контура 63
Выводы к главе II 65
Глава III. Исследование прочности микросоединений бескорпусных интегральных схем плоских микромодулей бесконтактных идентификаторов 67
3.1. Обоснование применения метода конечных элементов при исследовании напряженно-деформированного состояния 67
3.2. Моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния материалов микросоединения плоских выводов микромодуля 70
3.3. Экспериментальные исследование напряженно-деформированного состояния материалов микросоединения плоских выводов микромодуля 78
Выводы к главе III 80
Глава IV. Разработка комплексной технологии изготовления микромодуля и эксплуатационные параметры 81
4.1. Конструктивно-технологические решения создания плоских антенн идентификационных микромодулей 81
4.2. Разработка нового конструктивно-технологического решения плоского микромодуля 88
4.3. Разработка совмещенной технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей 93
4.4 Испытания и эксплуатационные параметры плоских микромодулей 107
4.5. Использование результатов диссертации 114
Выводы к главе IV 115
Заключение 117
Литература 121
Приложения 128
- Применение бескорпусной элементной базы в производстве бесконтактных идентификаторов
- Исследования по установлению оптимальных режимов ультразвуковой сварки плоских алюминиевых выводов на утоненных кристаллах
- Моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния материалов микросоединения плоских выводов микромодуля
- Разработка совмещенной технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей
Введение к работе
Актуальность работы
Новые технологии для производства приборов и систем бесконтактной идентификации (RFID), получившие в настоящее время самое широкое распространение, являются весьма востребованными.
По сравнению с появившимися ранее картами со штриховым кодированием, магнитными картами, контактными картами, дистанционные идентификаторы технологии RFID имеют ряд существенных преимуществ. Идентификация производится по цифровому коду, который подается специализированной микросхемой, соединенной с антенной в единой конструкции идентификатора.
Конструктивно идентификаторы могут быть вмонтированы в любой предмет. В системах контроля доступа наряду с пластиковыми картами широко применяются брелоки, браслеты и т.д. Характерным для всех конструктивных исполнений является необходимость как минимум двух технологических процессов: как микромонтажа самой интегральной схемы, так и микромонтажа антенного контура, что делает процесс трудоемким. Кроме того, для более широкого использования идентификатора с появлением новых объектов применения, особенно в листовые материалы - книги, бумажные листы электронного паспорта и т.п., требуется обеспечение плоскостности микромодулей идентификаторов, когда толщина микромодуля сопоставима с толщиной кристалла. При этом требуемой новой технологией должна быть обеспечена и гибкость конструкции, допускающей перегибы при эксплуатации.
Существующие известные технологии, направленные на создание планарных конструкций бесконтактных идентификаторов посредством проволочного монтажа кристалла, либо монтажа кристалла «лицом» вниз (flip-chip), не учитывают многие конструктивно-технологические факторы, обеспечивающие как прочность микросоединений кристалла с антенной, так и планаризацию модуля в целом.
При проволочном монтаже микросхема и антенна, как правило, расположены на двух противоположных сторонах подложки модуля. Такое решение требует наличия дополнительных соединительных проводов для обеспечения коммутации кристалла ИС с антенной, размещенных на противоположных сторонах подложки, тем самым, усложняя конструкцию, увеличивая трудоемкость изготовления и снижая прочность модуля.
Монтаж методом flip-chip сводиться к двум основным конструктивно-технологическим вариантам: с использованием проводящих клеев либо пайкой. В обоих случаях требуются дополнительные технологические операции по монтажу коммутационного «мостика» для формирования антенного контура, что приводит к увеличению трудоемкости и количества монтажных точек на создание одного сигнального канала. Кроме того, имеют место такие недостатки как: относительно большие габариты модуля, пониженная гибкость и увеличенная напряженность конструкции вследствие использования разнородных материалов, особенно в микросоединении.
Поэтому появляются требования по обеспечению унифицирования используемых материалов для микроконтактирования и снижение количества электрических микроконтактов для реализации одного сигнального канала. При этом новая технология должна обеспечивать и требования по минимизации напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов прибора для повышения ресурса эксплуатации.
Таким образом, существующие конструктивно-технологические решения не обеспечивают выполнение современных требований по реализации плоских структур микромодулей для приборов бесконтактной идентификации.
Решение может быть получено за счет разработки новых технологий на основе использования бескорпусных идентификационных микросхем и тонких гибких полимерных плат-антенн.
Наиболее оптимальным решением является создание идентификатора в виде совмещенной микросборки плоского идентификационного микромодуля (бескорпусная микросхема — гибкая плата-антенна).
Плоские идентификационные микромодули, изготовленные по предлагаемому конструктивно-технологическому варианту, могли бы характеризоваться высокой технологичностью и возможностью дальнейшей миниатюризации RFID приборов.
Именно поэтому, тема диссертации, посвященная разработке новой комплексной совмещенной технологии изготовления плоских микромодулей для приборов бесконтактной идентификации на основе конструктивно-технологических принципов прецизионного монтажа бескорпусных микросхем и плоских плат-антенн является весьма актуальной.
Предмет и объект исследования диссертации Объектом исследования являются микромодули для приборов бесконтактной идентификации.
Предметом исследования диссертации являются проблемы, связанные с разработкой новых конструкторско-технологических принципов создания новой технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей модулей на полиимидной пленке, наиболее полно отвечающих требованиям прецизионного монтажа современных бесконтактных идентификаторов.
Целью работы является исследование и разработка комплексной технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей на полиимидной пленке для перспективных изделий бесконтактной идентификации.
Для реализации цели диссертации автором определены и сформулированы следующие основные задачи:
- обоснование нового конструктивно-технологического решения
создание плоских идентификационных микромодулей на полиимидной
пленке, наиболее полно отвечающих требованиям микроминиатюриза
ции бесконтактных идентификаторов;
-исследование и разработка физико-технологических принципов создания полиимидных плат-антенн с монтажными выводами, обеспечивающими возможность микроконтактирования с контактными площадками утоненного кристалла бескорпусной микросхемы, при одновременном обеспечении формирования антенного контура;
-моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов микросоединения плоского вывода платы-антенны к контактной площадке бескорпусной микросхемы для обеспечения повышенной устойчивости к термическим воздействиям (дестабилизирующим факторам);
- разработка новой комплексной технологии изготовления плоских
микромодулей бесконтактной идентификации.
Научная новизна работы
1. Разработана технология плоских полиимидных идентификационных микромодулей для совмещенного микромонтажа антенны и бескорпусной микросхемы, основанная на новом конструктивно-технологическом решении, обеспечивающим планаризацию микромодуля, сопоставимого по толщине с толщиной микросхемы, за счет снижения высоты микросоединений над кристаллом не менее, чем в 3 раза по сравнению с известными техническими решениями.
2. Установлены оптимальные технологические параметры процесса ультразвуковой сварки плоских выводов микромодулей при совмещенном микромонтаже на утоненных кристаллах кремния.
3.Расчетным путем получена зависимость и экспериментально подтверждены новые конструктивно-технологические ограничения на микросоединение плоского микромодуля. Показано, что расстояние от сварной точки до полиимидной рамки является критическим для прочности и определяется толщинами слоев микросоединения и материалом вывода.
4.Установлено влияние конструктивно-технологических параметров: диаметра сварной точки, расстояния от сварной точки до полиимидной рамки, материала защитного покрытия, толщины кристалла кремния на величину остаточных термомеханических, напряжений микросварного соединения. Выявлено, что наиболее ответственным элементом микросоединения является кристалл кремния. При использовании жестких герметиков (Е = 5,9-103, МПа) толщина кристалла должна быть не менее 100 мкм, так как возможно его хрупкое разрушение при действии напряжений растяжения.
Новизна полученных результатов подтверждена патентом Российской Федерации на изобретение.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе результатов проведенных исследований:
разработана новая технология изготовления плоских микромодулей на полиимидной пленке для приборов бесконтактной идентификации с реализацией новой конструкции, обеспечивающей повышение планаризации микромодуля, сопоставимую с толщиной кристалла.
разработка технологии изготовления плоских микромодулей выполнена комплексно: как технологического процесса микроконтактирования балочных выводов платы-антенны, так и технологического процесса защиты с обеспечением минимизации термомеханических напряжений.
Практическое использование результатов работы определено тем, что:
-технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Акты об использовании результатов диссертации оформлены на таких предприятиях, как ОАО «Завод Компонент» (г. Зеленоград) при сборке микросхем в бескорпусном исполнении на
гибком носителе, включая нанесение защитного покрытия, а так же ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) при отработке выпуска серийных бесконтактных идентификаторов;
- результаты диссертации используются в учебном процессе МИЭТ при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 551100 «Проектирование и технология электронных средств» в лекционном курсе по дисциплине «Компьютерно-интегрированные технологии монтажа и сборки ЭВС», а также в лабораторной работе «Технологические процессы сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых БИС» практикума, разработанного в рамках учебно-методического комплекса по курсу «Конструктивно-технологические основы сборки электронных средств» при выполнении инновационной образовательной программы «Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники», выполняемой МИЭТ-ом как победителем конкурса «Приоритетные национальные проекты «Образование».
На защиту выносятся
1. Новая технология плоских полиимидных идентификационных микромодулей для совмещенного микромонтажа антенны и бескорпусной микросхемы.
2.Результаты исследований процесса ультразвуковой микросварки плоских выводов платы-антенны к контактным площадкам бескорпусной микросхемы на утоненных кристаллах.
3.Установленная зависимость прочности микросварного соединения от минимального расстояния между контактной площадкой кристалла и защитной рамкой гибкой полиимидной платы-антенны.
4. Результаты моделирования влияния конструктивно-технологических параметров на напряженно-деформированное состояние, величину остаточных термомеханических напряжений и прочностную надежность микросварного соединения элементов плоского идентификационного микромодуля.
Методики исследований и достоверность результатов Методики исследований базируются на теоретических физико-химических основах материаловедения и механики твердых тел, математическом моделировании, в экспериментах использована точная исследовательская аппаратура.
Достоверность основных результатов подтверждается большим объемом и комплексностью проведенных исследований, соответствием
результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными испытаниями промышленных образцов, обсуждениями на научно-технических конференциях и положительной экспертизой заявки на изобретение.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 9 научно-технических конференциях:
1. Микроэлектроника и информатика - 2004. 11-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2004г.
2.Микроэлектроника и информатика - 2005. 12-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2005г.
3.Электроника и информатика - 2005. V Международная научно-техническая конференция, Москва, Зеленоград, 2005г.
4. Микроэлектроника и информатика - 2006. 13-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2006г.
5.10-я международная научная конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» ПЭМ-2006, пос. Дивноморское, Краснодарский край, 2006г.
б.Микроэлектроника и информатика - 2007. 14-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2007г.
VIII ВНТК «Современные промышленные технологии», Всероссийская научно- техническая конференция. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2007г.
Микроэлектроника и информатика - 2008. 15-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2008г.
XII ВНТК «Современные промышленные технологии». Всероссийская научно- техническая конференция. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2008 г.
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 14 печатных работах, в том числе: в 4 статьях, 9 тезисах докладов на научно-технических конференциях и 1 патенте Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих 48 рисунков и 12 таблиц, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы -132 страницы.
Применение бескорпусной элементной базы в производстве бесконтактных идентификаторов
Немаловажное значение в обеспечении надежности идентификаторов приобретают сборочно-монтажные процессы, включая микромонтаж бескорпусных интегральных микросхем (ИМС) в составе того или иного конструктивного исполнения идентификатора [21]. Бескорпусные ИМС, в сущности, могут быть смонтированы на платах-антеннах из любых материалов, если позволяет точность изготовления знакоместа монтажной платы, поскольку для бескорпусных кристаллов имеется широкий выбор материалов и разновидностей выводов (проволочных, ленточных на гибком носителе, шариковых), а также технологий микроконтактирования, упрощающих решение проблем согласования КТЛР сопрягаемых материалов при монтаже микромодулей бесконтактных идентификаторов.
Из анализа технической литературы [1-3] видно, что современные методы сборки бескорпусных микросхем бесконтактных идентификаторов основываются на двух направлениях: проволочная сборка и сборка с организованными выводами. До недавнего времени наиболее распространенным методом являлась проволочная сборка с помощью алюминиевых или золотых проволочных выводов. Процессы присоединения таких выводов к контактным площадкам кристалла и выводам антенны идентификационного модуля достаточно отработаны, аналогичны монтажу кристалла в корпус микросхемы, и широко освещены в литературе [22, 23]: чаще всего применяются термокомпрессионная или ультразвуковая сварка.
Однако, для широкого диапазона применения бесконтактных идентификаторов, включая экстремальные условия эксплуатации, технологически необходимо проведение полных технологических испытаний кристаллов перед монтажом с антенным контуром идентификатора. Отсутствие гарантии годности кристалла ИМС означает дополнительный риск, воспринимаемый как неопределенный процент выхода годных идентификаторов и, как следствие, непредсказуемые затраты.
Решение вопроса создания гарантированно годного кристалла ИМС [24] до монтажа на плату достигается применением микросборки на основе так называемых организованных выводов (методы беспроволочного соединения). Наибольшее распространение из методов организованных выводов получают:
- присоединение с помощью балочных выводов;
- присоединение перевернутым кристаллом с шариковыми (столбиковыми) выводами;
- сборка с использованием гибких полимерных носителей.
Кристаллы с балочными выводами
В данном конструктивно-технологическом варианте выводы, как правило, из золота, формируются после окончания технологического процесса изготовления полупроводниковой структуры. Эти выводы по существу представляют собой продолжение выходных площадок кристалла и выступают за пределы кристалла в виде консольных балок. Толщина балок от 10 до 15 мкм, длина за пределами кристалла от 150 до 400 мкм, а ширина составляет от 0,1 до 0,125 мм. Вместо механического скрайбирования и разламывания пластины на отдельные кристаллы в данном случае используется операция травления.
Кристаллы с такими выводами, монтируя к контактным площадкам платы, приваривают или припаивают только концы наружных частей балок, поэтому кристалл не подвергается механическим воздействиям во время монтажа. Кроме того, контактный узел практически не подвергается действию механических напряжений за счет разницы КТЛР кристалла и подложки, так как балочные выводы могут изгибаться. К другим преимуществам элементов с балочными выводами можно отнести возможность визуального контроля качества присоединения, хороший теплоотвод от кристалла. Вместе с тем ИМС с балочными выводами обладают рядом недостатков [25]:
- дополнительным расходом кремния, обусловленным формированием на поверхности кремниевой пластины, наряду с активной частью микросхемы, балочных выводов;
- существенным усложнением технологического процесса, связанным с формированием балочных выводов и разделением кремниевых пластин на кристаллы с помощью анизотропного травления;
- хрупкостью балочных выводов и возможностью повреждения изоляции между балочным выводом и кристаллом.
Перечисленные недостатки существенно снижают процент выхода годных ИМС с балочными выводами, что обуславливает их высокую стоимость.
Избежать этих недостатков в значительной степени можно применением различных вариантов технологии монтажа на гибком полимерном (чаще всего полиимидном) носителе.
Кристаллы с шариковыми выводами
Характерной особенностью кристаллов с шариковыми выводами (рис. 1.6) является то, что все выводы формируются в пределах кристалла на его лицевой стороне, а монтаж производится лицевой стороной вниз по методу перевернутого кристалла - «flip-chip» монтаж.
Использование ИМС с шариковыми выводами обеспечивает следующие преимущества [26]:
- высокую плотность активных элементов и ИМС на кремниевой пластине, так как внешние выводы не требуют дополнительной площади кристалла;
- возможность автоматизации и высокую производительность операции монтажа элементов на платы.
Недостатком монтажа по методу перевернутого кристалла является трудоемкость контроля качества соединения выводов элементов с контактными площадками платы и довольно жесткая связь кристалла с платой, что при определенных условиях может повлиять на надежность соединения по причине различия КТЛР кристалла и платы.
В настоящее время доступны разные сборочно-монтажные «flip-chip» процессы [27]. Ниже приведены наиболее часто используемые процессы монтажа методом перевернутого кристалла.
Пайка с шариковыми выводами. Одним из наиболее часто используемых процессов является традиционная технология пайки, модифицированная для непосредственной установки интегральной схемы. В этом случае для процесса изготовления столбиковых выводов и их монтажа (рис. 1.7) чаще всего используются эвтектические оловянно-свинцовые или бессвинцовые припои.
При монтаже необходимо учитывать способность полимеризации клеевой прокладки. Обычно используются эпоксидные материалы высокой плотности с различными свойствами, особенно важно, чтобы температура полимеризации была ниже, чем температура пайки.
Недостатки данного метода очевидны. Из-за относительно высоких температур выбор материалов для подложки ограничен материалами очень высокого качества, что далеко не всегда необходимо. Выбор клеевого материала для создания клеевой прокладки также очень важен.
Присоединение с использованием анизотропной проводящей пленки (Anisotropic Conductive Film)-ACF [28]. Для данного процесса используется сухая клеевая анизотропная лента, заполненная проводящими частицами. Давление в направлении перпендикулярном монтажной плоскости, создаваемое выступами кристалла, сжимает и соединяет проводящие частицы, чем создает зоны проводимости под объемными выводами, так как проводящие частицы внутри ленты начинают соприкасаться друг с другом (рис. 1.8). Перед этапом присоединения анизотропная лента разогревается, становится мягкой, приобретает некоторую текучесть. Такое агрегатное состояние анизотропной ленты позволяет проводящим частицам перемещаться в толще объема ленты в направлении создаваемого на них давления. В остальных направлениях давление на частицы отсутствует, они не смыкаются, клей сохраняет диэлектрические свойства. В этих направлениях клей сохраняет диэлектрические свойства. Из-за различия в проводимости по разным направлениям клей получил название «анизотропный».
Исследования по установлению оптимальных режимов ультразвуковой сварки плоских алюминиевых выводов на утоненных кристаллах
С учетом предъявляемых современных требований к RFID необходимо обеспечить минимизацию массогабаритных показателей и планаризацию микромодуля [39]. Минимизация монтажной площади, в разрабатываемом конструктивно-технологическом варианте достигается за счет поверхностного монтажа бескорпусных микросхем идентификаторов на гибких полиимидных носителях с плоскими алюминиевыми выводами [40]. Использование таких бескорпусных микросхем обеспечивает наименьшие значения переходных сопротивлений, паразитных емкостей и индуктивностей, что способствует повышению скорости обработки сигналов. При этом успешно решается вопрос металлургической совместимости материалов плоских выводов гибкого носителя и контактных площадок кристалла, и в том и другом случае применяется алюминий.
Дополнительным фактором, влияющим на габариты, в особенности по высоте микромодуля, является толщина самого кристалла микросхемы идентификатора. Решение задачи по планаризации микромодуля приводит к тому, что необходимо использовать утоненные кристаллы. На операцию ультразвуковой сварки плоских алюминиевых выводов платы-антенны должны поступать утоненные кристаллы.
Утонение необходимо в виду того, что в соответствии с ОСТ 11-032.913-80 «Пластины кремниевые. Параметры и размеры» с увеличением диаметра пластин, а это тенденция развития микроэлектроники, увеличивается и толщина пластин. Перспектива перехода диаметра пластин в производстве до 200 и 300 мм приведет к толщине кристаллов до 750-800 мкм, что явно не отвечает требованиям планаризации микромодуля после сборки на полиимидиую плату-носитель.
В связи с этим в экспериментах по обеспечению планаризации микромодуля исследованы процессы сварки на утоненных кристаллах до 190 мкм, что достигается современными перспективными промышленными технологиями. Использованы пластины кремния 150КДБ12(100), толщиной 575 мкм, с последующим утонением на установке шлифования пластин MPS 2 R300.
Проведены исследования [41] влияния конструктивно-технологических факторов и параметров процесса УЗС на величину механической прочности микросоединения (МС).
На рис. 2.11 представлена схема МС плоского алюминиевого вывода к контактной площадке кристалла кремния. Для анализа механической прочности МС исследовали влияние основных параметров процесса УЗС: усилия нагружения (сжатия) Рсж [Н], мощности N[BT] И времени сварки tce [с]. Исследования выполнены на оборудовании УС.ИММ-1. В качестве рабочего инструмента, обеспечивающего фиксацию плоского монтажного вывода катушки индуктивности с целью получения ребер жесткости сварного соединения, выбран инструмент типа ИУ-1 с крестообразной канавкой по ОСТ 11 409.017.3.
Оценку качества сварного соединения проводили по следующим параметрам: усилию разрушения при испытаниях на отрыв F [Н], относительной деформации є [%], коэффициенту вариации прочности у [%]. Зависимости относительной деформации є от режимов сварки дают возможность более полной трактовки прочности соединения, а также дают некоторые представления о кинетике процесса образования соединения при УЗС. Коэффициент вариации прочности у позволяет судить о стабильности прочности соединения в зависимости от режимов сварки.
В первую очередь определяли область допустимых режимов сварки. Для интегральной оценки в экспериментах использовали метод построения пороговых кривых. Для этого при постепенном увеличении усилия нагружения Рсж и мощности ./V выполняли сварку с последующим испытанием на отрыв на установке УКПМ-1 и сопоставлением с уровнями допустимой прочности соединения.
На рис. 2.12 представлены характерные зависимости, формирующие следующие области режимов сварки: I - область режимов, обеспечивающих прочность сварных соединений не менее 5 -10"2 Н; II - область допустимых режимов; III — область режимов, обеспечивающих получение сварных соединений с избыточной деформацией (более 50%).
В пределах области допустимых режимов снимали зависимости усилия разрушения сварного соединения F, относительной деформации є, коэффициента вариации у от основных режимов сварки (усилия нагружения, мощности и времени сварки).
Зависимости F, є, у от усилия нагружения (Рсж) представлены на рис. 2.13. Зависимость F =/(Рсж) имеет свой максимум, определяющий оптимальные условия передачи энергии без потерь от сварочного инструмента к месту сварки.
Выявлено что, чрезмерное увеличение усилия сжатия Рсж препятствует протеканию в зоне контакта процессов скольжения, что приводит к снижению прочности. При этом оценить стабильность механической прочности можно по коэффициенту вариации прочности (рис. 2.13). Видно, что увеличение коэффициента связано со снижением стабильности и, наоборот, повышение стабильности приводит к уменьшению коэффициента.
Зависимость F = f(tce) имеет диапазон стабильной прочности сварных соединений при длительности импульса от 100 до 200 мс (рис. 2.14), в зависимости от диаметра инструмента. Снижение прочности при дальнейшем увеличении времени сварки свидетельствует о начале нового процесса разрыва уже образовавшихся связей в зоне контакта алюминиевый вывод - КП кристалла.
Проведенные исследования показали, что увеличение амплитуды колебаний или мощности TV приводит к образованию надрезов на балочных выводах, чрезмерному увеличению деформации и, следовательно, снижению прочности микроконтакта.
Разработка технологии сборки идентификационных кристаллов на плоских платах-антеннах с использованием автоматизированного оборудования (ЭМ-4062) предусматривает исследование и стабилизацию более широкого круга параметров, которые для условий сборки с использованием установок ручного типа УС.ИММ-1 не являются доминирующими, а при автоматизированной сборке становятся решающими. Так определено, что прочность соединения сварки в этом случае значительней зависит от конструкции микросварных соединений плоских выводов гибких плат-антенн с контактными площадками кристаллов, а именно, определяется расстоянием / [мкм] от КП кристалла до полиимидной рамки (рис. 2.15).
Во-вторых, существенное влияние на прочность сварного соединения при прочих удовлетворительньгх параметрах оказывает соотношение размеров сварочного инструмента и ширины алюминиевого вывода. Экспериментально установлено, что оптимальным решением является равенство диаметра сварочного инструмента ширине вывода.
При проведении предварительных экспериментов для выработки конструктивно-технологических ограничений на проектирование идентификационного микромодуля установлено, что с целью уменьшения напряженно-деформированного состояния в сварном узле конструктивно целесообразно концы выводов плоской антенны, присоединяемых к контактным площадкам кристалла закреплять [42], тем самым, уменьшая возможность деформации плоских выводов при эксплуатации идентификационного микромодуля.
Изучена возможность минимизации свободной от полиимида длины вывода из соображений обеспечения достаточной прочности сварного соединения. Это в данном конструктивном варианте определяется не только режимами сварки, но и геометрическими размерами вскрытого окна в полиимиде, определяющими допустимое минимальное расстояние между контактной площадкой кристалла и защитной рамкой гибкой платы-антенны с учетом допустимой деформации вывода.
Рассмотрим плоскую задачу деформирования алюминиевого вывода при микросварке (рис. 2.11), принимая допущение, что смещений металла с полиимидом не происходит. На участке между полиимидной рамкой и КП кристалла кремния длина вывода / увеличивается до l + АЇ, величина относительной деформации составит є = А/// [43]. С учетом уменьшения толщины алюминиевого вывода с hAI до hKM и величины толщины контактной площадки кт уравнение деформации в нашем случае можно записать
Моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния материалов микросоединения плоских выводов микромодуля
На рис.3.1 представлена расчетная схема микросоединения плоского алюминиевого вывода к контактной площадке кристалла кремния. Исследовали влияние следующих конструктивно-технологических факторов на термопрочность микросоединения:
- диаметра d микросварного соединения, выбирали 85, 100 и 130 мкм;
- зазора -С между МС и полиимидной пленкой, выбирали 10, 50 и 100 мкм;
- толщины утоненного кристалла, выбирали 100, 200 мкм;
- для герметизации МС использовали следующие широко используемые материалы в производстве бескорпусных микросхем: полиимидный лак АД 9103 (ТУ 6-05-1608-80); эпоксидный герметик HysoIEO1016; кремний-органический герметик СИЭЛ 159-167 (ТУ 6-02-1197-80).
Физико-механические свойства материалов МС представлены в табл. 3.1, где Е - модуль упругости, д - коэффициент Пуассона, а - температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), [а] - допустимое напряжение.
Для анализа термопрочности МС необходима информация о НДС микросоединения, о влиянии на нее изменения размеров, формы элементов узла, используемых материалов. При решении этой задачи осуществляют переход от проектируемой конструкции к расчетной схеме, отражающей наиболее важные свойства и особенности рассматриваемого узла. В расчетной схеме можно не учитывать второстепенные особенности, которыми можно пренебречь благодаря их несущественному влиянию на конечный результат. Задачи термопрочности в виду своей сложности требуют применения численных методов, основанных на дискредитации расчетной области с использованием метода конечных элементов [49, 50].
При разработке конечно-элементных моделей использовали единый подход, который предполагает применение следующих основных принципов:
- использование достоверных сведений о физико-механических свойствах материалов и конструкций;
- использование неравномерной сетки конечных элементов для областей, в которых возможны высокие градиенты напряжений;
- выявление факторов, оказывающих наибольшее влияние на прочность и жесткость конструкции, установление закономерностей влияния;
- использование обоснованных и общепризнанных критериев прочностной надежности.
Моделирование и анализ проводили с помощью программного комплекса COSMOS Works.
Был проведен цикл инженерного анализа, основанный на методе конечных элементов, включающий в себя следующие основные этапы:
- разработка геометрии конструкции;
- задание характеристик материалов элементов конструкции;
- выбор типов конечных элементов и ввод их параметров;
- разбиение конструкции на конечные элементы;
- задание граничных условий - связей, налагаемых на объект;
- формирование системы нагрузок, задание их значений, функциональных зависимостей от параметров модели;
- проверка корректности модели, редактирование ее характеристик;
- расчет конструкции и конечно-элементный анализ;
- анализ результатов расчета, форматирование их представления.
Были разработаны семь конечно-элементных моделей микросоединения (см. табл. 3.2). Базовая модель №1 имела следующие величины варьируемых параметров: d = 100 мкм; = 50 мкм, герметик марки АД 9103.
Конечно-элементная сетка базовой модели № 1, содержащая около 105 узлов, показана нарис. 3.2 (представлена одна четверть симметричной модели).
Распределение эквивалентных напряжений в микросоединении для базовой модели №1 представлены на рис. 3.3. На рис. 3.4 показано распределение эквивалентных напряжений в алюминиевом выводе, на рис. 3.5 - в кристалле кремния.
Видно, что максимальные эквивалентные напряжения в алюминиевом выводе 63,58 МПа действуют в месте перегиба (рис. 3.4). Максимальные эквивалентные напряжения в кристалле кремния 76,40 МПа действуют по периметру границы соединения (рис. 3.5).
Анализ обеспечения прочностной надежности МС при температурных воздействиях проводили в два этапа. На первом определяли максимальные эквивалентные напряжения в элементах микросоединения, на втором этапе сопоставляли полученные данные с нормативно допустимыми значениями, определяли коэффициент запаса прочности по формуле п = [а]/аэ и получали ответ на вопрос: является ли конструкция прочной.
Эквивалентные напряжения (аэ, МПа) рассчитаны по гипотезе энергии изменения формы (3.1)
В табл. 3.2 представлены значения эквивалентных напряжений в материалах соединения, а также величины главных напряжений в кристалле кремния. Типовая эпюра распределения эквивалентных напряжений в материалах соединения базовой модели № 1 в конечных элементах, расположенных на оси симметрии, показана на рис. 3.6.
Видно, что соединение разнородных материалов кремния и алюминия, существенно различающихся величинами модуля упругости и ТКЛР, при тепловых воздействиях приводит к возникновению высоких термомеханических напряжений в месте контакта, что снижает их прочностную надежность.
В местах изменения формы элементов соединения возникают повышенные местные напряжения, которые называют концентрацией напряжений. Концентрация напряжений является очагом будущего разрушения материалов. Для ее снижения необходим плавный переход от одного материала к другому, а также один из соединяемых материалов должен иметь низкий модуль упругости и соответственно повышенную податливость.
Использование податливого герметика СИЭЛ 159-167 в модели №7 (табл. 3.2) приводит к снижению напряжений в кремнии в 2,24 раза, тогда как использование жесткого герметика Hysol ЕО1016 в модели № 6 приводит к повышению напряжений в 1,8 раза.
Увеличение диаметра d соединения кремний - алюминий с 85 до 130 мкм (модели № 2 и № 3) повышает несущую способность в 1,53 раза, при этом повышается концентрация напряжений (отношение максимального напряжения к номинальному в соединении) в алюминиевом выводе на 5%.
Концентрация напряжений по длине соединения в алюминии составляет для базовой модели № 1 - 27% , для кремния - 30%. Использование жесткого герметика Hysol ЕО1016 в модели № 6 увеличивает концентрацию напряжений до 95%. Увеличение величины зазора -С между МС и полиимидом с 10 до 100 мкм снижает напряжение в кремнии на 10%. При этом в герметике происходит снижение касательных напряжений и соответственно деформаций сдвига в 2,26 раза.
Разработка совмещенной технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей
Полученные результаты исследований в предыдущих разделах диссертации позволяют технически обосновано решать вопрос разработки технологических процессов монтажа плоских микромодулей на гибких полиимидных носителях для приборов бесконтактной идентификации.
Производственно-экономические показатели (процент выхода годных, трудоемкость, унификация и т.п.), надежностные показатели и качество с одной стороны и тактико-технические показатели (планарность, габариты, масса, и т.п.) -с другой стороны, определяют в конечном итоге оптимальную область применения плоских идентификационных микромодулей, изготавливаемых по разрабатываемой технологии.
Определяющими процессами в технологическом маршруте создания плоских идентификационных микромодулей являются: формирование прецизионных гибких полиимидных плат-антенн с оптимизированной зоной микроконтактирования и монтаж бескорпусных микросхем на гибкие полиимидные платы-антенны с минимизацией напряженно-деформированного состояния и термомеханических напряжений микросоединений [42, 51]. При этом разрабатываемая технология должна характеризоваться невысокой трудоемкостью за счет возможного совмещения техпроцессов сборки микросхемы идентификатора и монтажа антенного контура.
Разработка совмещенной технологии монтажа выполняется с учетом унификации технологических процессов, межоперационного контроля и обеспечением низкой трудоемкости путем базирования на высокопроизводительное автоматизированное оборудование, широко применяемое при изготовлении приборов электронной техники.
Технология создания плоской полиимидной платы-антенны
Современный уровень развития науки и техники и все возрастающая потребность в гибких носителях диктуют необходимость внедрения автоматизированных технологических процессов. Рулонная технология предусматривает пооперационную обработку 30-40 метровых рулонов полиимидной ленты без разделения на подложки. Такая технология достаточно хорошо отработана в промышленном производстве и позволяет изготавливать разработанные в диссертации платы-антенны. Главным преимуществом этой технологии является:
- повышение в 2-3 раза производительности труда за счет непрерывности техпроцесса и снижения доли вспомогательных операций;
- уменьшение потерь материала за счет снижения площади технологических полей, необходимых для закрепления полиимидной подложки в оснастке;
- улучшение условий труда операторов за счет уменьшения непосредственного контакта с вредными веществами [57].
Особенности изготовления полиимидных плат-антенн (носителей) рулонным способом. Основу технологического маршрута изготовления полиимидных носителей рулонным способом составили технологические операции, ранее использованные в кассетной (дискретной) технологии, с введением в режимы определенных корректив, учитывающих динамику движения обрабатываемой ленты фольгированного материала (ФДИ-АП).
Для автоматизации технологического процесса изготовления гибких носителей используется комплект технологического оборудования «Ладога».
Технологический процесс на линии «Ладога» заключается в последовательной обработки рулонов диэлектрика в различных технологических средах: растворе для химобработки, проявителе, травителях полиимида и алюминия, предусматривают промывку и сушку диэлектрика и нанесение защитных слоев фоторезиста и лака. Установка экспонирования позволяет автоматически получать скрытое совмещенное изображение гибких носителей в фоторезистивных слоях с обеих сторон диэлектрика. В состав линии «Ладога» входит семь установок:
- установка химической обработки;
- установка двустороннего нанесения фоторезиста;
- установка двустороннего экспонирования;
- установка проявления фоторезиста;
- установка травления полиимида;
- установка нанесения лака;
- установка травления алюминия.
Технологический процесс заключается в последовательной обработке рулона лакофольгового диэлектрика, начиная с обработки поверхности материала и заканчивая травлением алюминия. Последующие операции - удаление фоторезиста и имидизация проводятся после резки рулона на подложки. После выполнения каждой операции лакофольговый диэлектрик должен удовлетворять соответствующим требованиям.
Технологический процесс изготовления полиимидных носителей рулонным способом состоит из следующих операций.
Подготовка поверхности лакофольгового диэлектрика
На первой операции технологического процесса предусматривается щелочная обработка поверхности рулона лакофольгового диэлектрика. Большое внимание уделяется соблюдению технологических режимов и чистоте обрабатываемой поверхности. Лакофольговый диэлектрик проходит обработку в слабом щелочном растворе - 5% углекислого натрия. Подготовка поверхности лакофольгового диэлектрика проводится в установке химической обработки 084ХИ - 100. После проведения данной операции бобина с рулоном помещается в тару.
Нанесение фоторезиста
На установке нанесения фоторезиста 08ФН2-100 происходит формирование фоторезистивного слоя на обеих сторонах рулона диэлектрика. При выполнении данной операции требуется получение необходимой вязкости фоторезиста. Фоторезист ФН-11 представляет собой 15 % раствор циклокаучука в смеси толуола и ксилола. Вискозиметром ВПЖ-2 измеряется вязкость исходного фоторезиста. В, случае, если величина вязкости больше рабочей, производят коррекцию фоторезиста, далее производится повторный замер вязкости. Необходимо строгое соблюдение технологического режима для достижения наилучшего качества нанесенной пленки: поверхность пленки должна быть сухой, сплошной, равномерной, без посторонних включений и загрязнений, без царапин.
Экспонирование фоторезиста
Двустороннее экспонирование осуществляется с помощью контактной фотопечати на порытой с двух сторон фоторезистом ленте, расположенной между совмещенными пленочными фотошаблонами, установленными в копировальной раме. Участки ленты поочередно экспонируются, дискретно перемещаясь между фотошаблонами. В качестве. источника света применяются ртутно-кварцевые лампы. После окончания экспонирования визуально проверяют качество экспонирования.
Проявление фоторезиста на лакофолъговом диэлектрике
Проявление осуществляется на установке проявления 08ФП2-100. Особое внимание уделяется качеству фотослоя. В качестве проявителя применяется бензин, растворитель - уайт-спирт. Во время проявления производится визуальный контроль качества проявления. Рисунок должен быть четким, с ровными краями, без механических повреждений.
Травление полиимида
Травление осуществляется на установке химической обработки 084ХИ-100. Как отмечалось выше, для изготовления полиимидных плат-антенн используется материал ФДИ-АП с пониженной степенью имидизации. Это в первую очередь, обусловлено возможностью селективного травления полиимида в присутствии алюминия. В качестве травителя выбирается нагретый моноэтиламин.
Пленки с неполной степенью имидизации являются промежуточной формой полимера, поэтому их механические и физико-химические свойства значительно отличаются от свойств полностью имидизированных пленок и характеризуются нестабильностью показателей как во времени, так и для различных партий материала. Полиимидные пленки с температурой имидизации 180 С травят в моноэтиламине при ПО С с использованием маски фоторезиста ФН-11. Время травления пленок толщиной 20 мкм составляет 7-15 сек. За это время маска из фоторезиста заметно не разрушается.
