Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ и сравнение существующих технологий монтажа кристалла .
1.1 Обзор технологий высокоплотного микромонтажа. 7
1.2 Проволочный микромонтаж. 9
1.3 Монтаж методом перевернутого кристалла . 13
1.4 Микромонтаж с применением полиимидных носителей.
1.5 Сравнение методов высокоплотного монтажа компонентов на плату.
Глава 2. Компьютерное моделирование конструкций .
2.1 Конструкция Универсального Контактного Узла (УКУ-узел).
2.2 Термомеханическое моделирование конструкций на базе УКУ-узла .
2.3 Исследование капиллярного поднятия припоя в УКУ-узле.
Глава 3. Разработка технологического маршрута изготовления иолиимидного носителя .
3.1 Обоснование метода нанесения тонких пленок в вакууме на полиимидную пленку.
3.2 Оптимизация режимов магнетронного нанесения меди при двусторонней металлизации полиимидных пленок .
3.3 Плазмохимическое травление полиимида. 67
3.4 Исследование зависимости величины адгезии напыленной медной пленки от свободной поверхностной энергии полиимидной пленки.
3.5 Исследование величины адгезии медной пленки к полиимидному носителю без адгезивного подслоя хрома.
3.6 Технологический маршрут изготовления полиимидного носителя.
Глава 4. Экспериментальные исследования тестовых структур и натурные нснытания.
4.1 Исследование элементного состава контактной зоны пленок меди с полиимидом.
4.2 Экспериментальные исследования тестовых структур УКУ - узлов.
4.3 Механическая прочность паяных соединений (исследование на разрыв).
4.4 Исследование прочности паяных соединений (исследование на срез).
4.5 Контроль качества паяных соединений неразрушающим методом.
4.6 Ускоренные испытания на воздействие температуры и влажности.
Заключение 130
Литература
- Монтаж методом перевернутого кристалла
- Термомеханическое моделирование конструкций на базе УКУ-узла
- Оптимизация режимов магнетронного нанесения меди при двусторонней металлизации полиимидных пленок
- Механическая прочность паяных соединений (исследование на разрыв).
Монтаж методом перевернутого кристалла
Одним из широко используемых в настоящее время методов присоединения выводов от кристаллов ИМС (интегральная микросхема) как к контактным площадкам корпуса, так и платам является проволочный микромонтаж. Однако, для микромонтажа бескорпусных ИМС все большее распространение получил монтаж с помощью жестких организованных выводов.
Для проволочного микромонтажа используется проволока диаметром 10—40 мкм из золота, алюминия (и его сплавов), а также (значительно реже) из сплава палладия с никелем (80% Pd, 20% Ni). Большие скорости процессов микромонтажа, полная автоматизация технологических процессов сборки требуют большой стабильности свойств проволоки, особенно при повышенных температурах.
Золотая проволока изготавливается из золота чистоты 99,999% с последующей стабилизацией свойств, что достигается особой техникой плавления золота и термообжигом проволоки.
Преимущества применения золотой проволоки заключаются в том, что она легко подвергается как сварке, так и пайке; кроме того, золотая проволока совместима практически с любым материалом контактных площадок — это делает ее незаменимой для микромонтажа бескорпусных ИМС в микросборках и ячейках [4-6].
Однако для микромонтажа корпусных ИМС с точки зрения уменьшения стоимости и лучшей совместимости с алюминиевой металлизацией контактных площадок кристалла предпочтительнее использовать проволоку алюминия и его сплавов. Алюминиевая проволока изготавливается двух модификаций: твердая и мягкая. Проволока из алюминия чистоты 99,999% выпускается в основном мягкой модификации. Сплавы алюминия более предпочтительны для изготовления проволоки, чем чистый алюминий, из-за повышенной прочности сварного соединения. Содержание легирующей добавки должно выдерживаться с большой точностью (±15%) при однородном ее распределении в проволоке. Сплав может содержать примесей не более 0,1%. При использовании проволоки из Al +l%Si основной проблемой является возникновение трещин на поверхности раздела между контактной площадкой и проволочной перемычкой (критическая область, где может сказаться усталостное напряжение, особенно при вибрапионной нагрузке). Для кристаллов, залитых пластмассой, в критической области наблюдается сочетание напряжений: термомеханических и усадочных. Образование трещин определяется высокочастотным воздействием во время ультразвуковой сварки (30—70 кГц).
Значительные неровности поверхности контактной площадки и высокая плотность внутренних пустот, возникающих под влиянием ультразвука, также ослабляют зону присоединения. При сварке золотой проволоки и алюминиевой контактной площадки кристалла или алюминиевой проволоки и золоченной контактной площадки корпуса вследствие взаимодиффузии золота и алюминия образуются интерметаллические соединения типа Аиx—А1У, которые, в принципе, снижают механические свойства сварного соединения. Чаще всего в зоне контакта образуются интерметаллиды типа AU4AI, AU5AI2, AuAl, AUAI2, причем зоны их распространения от золотой проволоки к контактной площадке из алюминия находятся в той же последовательности, в которой они перечислены. Иногда при повыщенной температуре сварки, значительном времени воздействия и в присутствии фазы свободного кремния образуется соединение АиА12 («пурпурная» чума). Она характеризуется резким ухудшением свойств сварного контакта из-за повыщенной хрупкости и значительной величины удельного объемного сопротивления (в 15 раз большем, чем у алюминия).
Для присоединения проволочных выводов к контактным площадкам кристаллов используется термокомпрессионная сварка (в основном для золотых проводников) и ультразвуковая (для алюминиевых), а для их присоединения к контактным площадкам микроеборок или ячеек чаще всего используется термокомпрессионная сварка или пайка (золотых проводников). Для присоединения к контактным площадкам корпусов используется в основном алюминиевая проволока. Термокомпрессионная сварка может проводиться встык (с образованием щарика) или внахлест (клином). При термокомирессионной сварке материал проволоки должен обладать высокой пластичностью (деформация для золота составляет 50—70%; для алюминия 60—80%). Ширина деформированной зоны проводника в месте сварки обычно равна 2—3 диаметрам проволоки [7].
Наиболее приемлемым с точки зрения образования прочного соединения с хорошей воспроизводимостью свойств для термокомпрессионной и ультразвуковой сварки (прежде всего на автоматах) являете сварка встык шариком. Шарик формируется в обычной атмосфере с помощью водородной горелки или электроискровым методом (для золотой проволоки) и значительно трудней в защитной атмосфере азота или аргона (для алюминиевой проволоки).
В настоящее время существует множество типов автоматизированных установок для проволочного микромонтажа с автоматическим распознаванием топологии кристаллов, при этом автоматически производится оценка качества сварки.
Однако, такой автоматизированный проволочный микромонтаж в большинстве случаев не может быть осуществлен при монтаже микросборок и ячеек, так как процент выхода годных после операций сборки кристаллов с высоким уровнем интеграции еще недостаточно высок. Кроме того, после завершения сборки на кристалле возникает необходимость проведения ЭТТ ИМС.
Поэтому операции микромонтажа кристаллов на подложки проволокой еще трудоемки, так как связаны с кропотливым совмещением вывода, контактной площадки кристалла и рабочего инструмента при выполнении каждого сварного соединения. Необходимость электрической проверки прибора после сборки заставляет использовать при монтаже бескорпуспых БИС специальный технологический корпус или промежуточные диэлектрические подложки с нанесенным слоем коммутации («кроватки»), к которым присоединяются выводы от устанавливаемых на них кристаллов и которые позволяют после этого производить измерение кристалла и его монтаж на коммутационную плату вместе с «кроваткой». Применение технологического корпуса не позволяет автоматизировать процессы присоединения проволочных выводов БИС на коммутационную плату. Использование «кроваток» дает возможность осуществлять автоматизированную сварку проволочных выводов в два этапа: в процессе присоединения выводов кристаллов к «кроватке» и (после измерения кристалла) присоединения «кроватки» к коммутационной плате. Вместе с тем применение промежуточных «кроваток» приводит к увеличению посадочного места кристалла на плате и в конечном итоге к уменьшению плотности монтажа [8,9].
Полная автоматизация процессов монтажа кристаллов на плату достигается применением так называемых организованных жестких выводов или методом беспроволочного соединения, который будет рассмотрен ниже.
Термомеханическое моделирование конструкций на базе УКУ-узла
В первом приближении явление капиллярного поднятия легко интерпретировать на основе уравнения Юнга-Лапласа. Если жидкость смачивает стенку капилляра, ее поверхность должна быть параллельна стенке и, следовательно, в целом поверхность жидкости должна иметь вогнутую форму. Разность давлений на поверхности раздела жидкость-газ определяется уравнением (1), причем ее знак таков, что давление в жидкости меньше, чем в газовой фазе. В этой связи полезно запомнить, что оба радиуса кривизны (когда они имеют один и тот же знак) всегда расположены на той стороне поверхности раздела, где давление больше.
Если сечение капилляра круглое и его радиус не слишком велик, мениск имеет форму почти правильной полусферы. При этом оба радиуса кривизны равны радиусу капилляра, и уравнение (1) приводится к виду АР = 2у/г, (2) где г - радиус капилляра. Обозначим h высоту мениска над плоской поверхностью жидкости (для которой АР=0). Тогда уравнение (2) АР должна быть равна падению гидростатического давления в столбике жидкости, находящейся в капилляре. Таким образом, AP=Apgh, где Ар - разность плотностей жидкой и газовой фаз (рвш. - 1,29 кг/м3; рПОc-бі - 8540 кг/м , соответственно, Ар = Рпос-бъ так как рвоз « Рпос-бі)? а g - ускорение свободного падения. Теперь уравнение (2) переходит в pgh = 2у/г, или (3) a =2y/pg = rh. (4)
Величина а, определяемая уравнением (4), называется капиллярной постоянной [32]. Аналогичное уравнение получается и для жидкости, не смачивающей стенки капилляра, т.е. для жидкости, у которой угол контакта со стенками (краевой угол) равен не нулю, а 180. Однако теперь мы имеем дело с капиллярным понижением, при этом мениск в капилляре является выпуклым, а h соответствует глубине понижения мениска.
Для более общего случая, когда жидкость контактирует со стенками круглого цилиндрического капилляра под некоторым углом 6. Если мениск все еще имеет сферическую форму, то, как следует из простых геометрических соображений, R2 =r/cos6, и, так как Ri= К2,уравнение (7) принимает следующий вид: pgh = 2уcosG/г. (5)
При точной математической трактовке капиллярного поднятия необходимо принимать во внимание отклонение формы мениска от сферической, т.е. в каждой точке мениска кривизна должна соответствовать AP=Apgy, где у- превыщение точки над плоскостью жидкости. Это условие можно сформулировать, записав уравнение Юнга-Лапласа в произвольной точке (х, у) мениска и заменив RR на соответствующие выражения из аналитической геометрии. Предполагается также, что сечение капилляра является круглым и, следовательно, мениск имеет форму фигуры вращения, как показано на рис. 2.7. R,=R2 Рис. 2.7. Мениск в капилляре как фигура вращения Радиус R] лежит в плоскости листа, а R2 - в перпендикулярной плоскости. Таким образом, Apgh = у [//(l+y72)372 + +/х (l+y/2)1/2L (6) гдеу уЛки/ у/ х. Из уравнения (6) можно получить точное выражение для общего веса W столбика жидкости. Пусть р = у и, следовательно, /= pdp/dy. Тогда уравнение (10) можно записать как 2у/а" = (pdp/dy)/(l+p2)3/24 р/х(1+р2)1/2. (7) Формально W определяется уравнением г W = 2ApT7t \xydx, (8) о которое после замены у на соответствующее выражение, найденное из уравнения (7), переходит в W = 2яУ l[xdp/(\+p2)? /2+pdjd(\+p2)V2l (9) Подынтегральное выражение последнего уравнения равно полному дифференциалу хр/(1+р2)1/2; соответственно запишем решение уравнения (9): g Р (10) w=24[xp/(l+p2)l/2]x=r L г v г J Jx=o,p=0 По определению р = dy/dx, поэтому, х=г, p=tgq , где ф=90-9. Подставляя эти пределы, получаем W = 27rrycos0. (11)
Отметим, что уравнение (11) в точности соответствует уравнению, которое можно записать, предполагая, что мениск «висит» на стенках капилляра и столбик удерживается вертикальной составляющей поверхностного натяжения ycosG, умноженной на периметр сечения капилляра 2га\ Таким образом, и в этом случае наблюдается математическая идентичность концепций "поверхностного натяжения" и "поверхностной свободной энергии".
Уравнение (11) является точным, однако при его использовании требуется определять общий вес жидкости в капилляре, что обычно трудно выполнимо на практике.
Поверхностное натяжение обусловлено тем, что молекулы на поверхности притягиваются только к молекулам, которые расположены под ними. Поэтому они стремятся забиться внутрь жидкости. В результате на поверхности образуется тонкая пленка толщиной в 2-3 слоя молекул более плотная, чем вся жидкость. Другое объяснение таково: у молекул новерхностного слоя потенциальная энергия вдвое выше, чем у молекул внутри жидкости. Стремясь занять положение с наименьшей потенциальной энергией, молекулы жидкости на поверхности стремятся втянуться внутрь жидкости. Таким образом, жидкость под действием внутренних сил молекулярного притяжения стремится уменьшить свободную поверхность (то есть поверхность соприкосновения с воздухом).
В виду того, что коэффициент новерхностного натяжения зависит от температуры, в данном случае, расплавленного припоя, его необходимо экспериментально измерить при различных температурных значениях. Измеряя прецизионным адгезиометром силу F, которую нужно приложить, чтобы увеличить площадь поверхности жидкого припоя, можно определить поверхностное натяжение. Для этого используется проволочная рамка /, которую опускают в жидкость рис. 2.9.
Методика разработана для расчета высоты поднятия расплава припоя ПОС-61 и олово-висмута в капилляре, представляющем собой сквозное металлизированное отверстие в полиимидной пленке (последнее покрытие - гальваническое золото 0,25мкм). Эксперимент должен быть проведен в условиях, максимально приближенных к реальным, а именно, заложенных в технологическом маршруте. При этом исследуется изменение угла смачиваемости в зависимости от температуры и изменение коэффициента поверхностного натяжения.
Оптимизация режимов магнетронного нанесения меди при двусторонней металлизации полиимидных пленок
Одним из наиболее перспективных и современных методов модификации поверхности полиимидов является воздействие низкотемпературной плазмы, которое позволяет изменить свойства поверхности этого материала. Экологически чистые современные плазмохимические методы значительно выигрывают по сравнению с химической модификацией, при которой используются такие агрессивные реагенты, как кислоты, гидроксиды, щелочноземельные металлы и их соединения и т. п. Следует также отметить, что уже с середины 80-х годов во многих промыщленно развитых странах щироко производится необходимое вакуумное оборудование, созданное специально для реализации плазмохимических процессов. Наиболее важной особенностью процесса плазмохимической модификации полиимидов, определяющей особый интерес к этому методу, является то, что изменениям подвергается только обрабатываемая поверхность материала и очень тонкий приповерхностный слой, толщина которого, по разным оценкам, составляет от 100А до нескольких микрон. Основная же масса полиимида не изменяется, сохраняя механические, физико-химические и электрофизические свойства модифицируемого материала [50,51].
Воздействие плазмы на поверхность полиимида позволяет изменять, в основном, его контактные свойства (смачивание, адгезию к тонким слоям металла, наносимого как с помощью вакуумного распыления, так и другими методами). Как правило, улучшение адгезионных свойств полиимидов под воздействием плазмы связано не только с очисткой поверхности от различного рода загрязнений, но и с образованием гидрофильных групп различной химической природы, обеспечивающих высокие адгезионные свойства модифицированных поверхностей. Состав, структура и свойства таких полярных групп зависят как от природы полиимида, так и от свойств плазмы и природы плазмообразующего газа. Если в качестве рабочего газа плазмы используется кислород или воздух, то на поверхности полиимида образуются кислородсодержащие полярные группы (карбонильные, спиртовые, перекисные, простые и сложные эфирные, лактонные и т.п.). В случае применения аммиака или его смесей с водородом на поверхности возникают азотсодержащие группы (амино-, амидо-, Имидо-, имино- и т.п.). Воздействие разряда в атмосфере инертных газов приводит к образованию активных свободных радикалов, которые на воздухе превращаются в гидроперекисные и перекисные, а затем - в стабильные кислородсодержащие полярные группы.
Процессы плазмохимической модификации полиимидов осуществляют с использованием низкотемпературной плазмы, т.е. температура рабочего газа составляет примерно 300К [37]. Используют низкочастотные разряды (частота от 50Гц), высокочастотные разряды (в основном 13,56МГц) и СВЧ-разряды (обычно 2,45ГГц), а также разряд постоянного тока. Для неравновесной плазмы тлеющего разряда пониженного давления характерными являются следующие параметры [52]: - температура молекул Тм - ЗООК, - температура электронов Те=1-10 эВ, - температура ионов Т„=300 -1000К. Активными в процессе модификации компонентами плазмы могут быть электроны, ионы, возбужденные атомы и молекулы, а также вакуумное ультрафиолетовое (ВУФ) излучение. Приведенные выше значения энергий активных частиц свидетельствуют о том, что они воздействуют только на поверхность и тонкий поверхностный слой полиимида [53]. Исключение может составлять лишь ВУФ-излучение плазмы, глубина проникновения которого определяется особенностями его поглощения в зависимости от структуры модифицируемого полиимида [54,55].
При модификации в плазме возможно протекание ряда физико-химических процессов, природа которых в значительной степени зависит как от состава газовой фазы разряда, так и от структуры и состава обрабатываемого полиимида. Это, во-первых, травление поверхности, приводящее к уменьшению массы полимера и образованию летучих продуктов деструкции. Процесс травления широко используется, например, в микроэлектронике как для очистки поверхности полимерных слоев, так и для получения их необходимой конфигурации (глубокое травление с применением маски). Во-вторых, это окисление поверхностного слоя полиимидов в плазме воздуха и кислорода, которое наблюдается для очень широкого круга полимерных материалов; оно приводит к гидрофилизации за счет образования полярных кислородсодержащих групп, существенно изменяющих энергетические свойства поверхности. Возникновение полярных групп под действием плазмы возможно и за счет разрыва связей в специфической структуре полимера, а также путем включения в его состав характерных групп или атомов из газовой фазы плазмы (например, вхождение атомов N и F в структуру полимера). Разряд в атмосфере инертных газов и воздуха может приводить к сшиванию поверхностного слоя для ряда полимерных материалов, изменяя его диффузионные характеристики.
Следует особо подчеркнуть, что перечисленные выше физико-химические процессы наблюдаются при плазмохимической модификации часто одновременно и в различных сочетаниях.
При травлении полиимидов в плазме происходит разрушение поверхностного слоя и удаление образующихся при этом газообразных продуктов [56]. Травлению подвергается поверхностный слой полиимида, который, как правило, является более дефектным, чем его основная масса. Скорость травления зависит как от вида газа, в атмосфере которого оно проводится, так и от структуры и свойств полимера. Наибольшая скорость травления наблюдается для кислорода (в этом случае процесс инициируется атомарным кислородом и происходит активированная окислительная деструкция).
Механическая прочность паяных соединений (исследование на разрыв).
Физической основой метода контроля качества различных пленочных и контактных систем по уровню 1/f шума является экспериментально установленная зависимость СПМ шума от микроструктурных особенностей пленок, различных типов дефектов и внутренних механических напряжений.
Кроме того, выявленная экспериментально и теоретически обоснованная взаимосвязь между СПМ (спектральная плотность мощности) фликер шума и кубической нелинейностью ВАХ (вольтамперные характеристики) металлических пленок и других пленочных структур со слабой нелинейностью ВАХ, позволяет также использовать в качестве информативного параметра амплитуду 3-й гармоники. Целесообразность применения метода контроля но шуму или нелинейным эффектам на практике должна решаться индивидуально для каждого конкретного объекта.
Следует также отметить, что метод 3-й гармоники может применяться для оценки физического состояния различных объектов нелинейных по своей природе, например, слоев поликристаллического кремния. В этом случае по величине коэффициента нелинейности ВАХ и вольт-фарадных характеристик удается оценить средний размер зерна в слое поликремния и прогнозировать величину удельного сопротивления слоя после легирования примеси, что важно знать при создании коммутационной разводки БИС и резисторов на основе поликремния.
Этот метод разработан для контроля нелинейности ВАХ и неравновесности фликер шумов в пассивных компонентах интегральных схем, таких как, соединительные паяемые узлы, межсоединения и резисторы. Необходимость в увеличении надежности контактных паяемых узлов и межсоединений в микросборках, таких как флин-чип, является одной из самой большой проблемой в корпусировании. Этот метод используется для оценки качества технологического процесса изготовления микроэлектронных изделий и измерения различных электрических параметров тестовых структур. Чаще электрическое сопротивление R тестовых структур используется в качестве электрического параметра для оценки качества узлов микросборки. Но величина сопротивления - это не информативный параметр для описания различных дефектов и нарушений в узлах и межсоединениях. Кроме того, измерение всего лишь одной величины флуктуации сопротивления R(t) в течение определенного времени t не может определять параметр деградации структуры и стабильность характеристик во времени. Электромиграция, химическая и электролитическая коррозия и различные химические реакции являются наглядными примерами.
Отношение между уровнем вреда электромиграции в тонких металлических пленках и уровнем фликер шумов было исследовано [83]. В такого рода экспериментах, уровень фликер шумов измерялся при высоком постоянном токе и высокой температуре, в результате показатель формы спектра (1/f) шумов составил у 2. Измерения при постоянном токе обычно обнаруживают более высокую спектральную плотность мощности (СОМ) для (1/f) шумов в сравнении с уровнем шумов, возникающих только при низких частотах (от нескольких мГц до 1Гц). Измерения проводят на тестовых образцах, имеющих сопротивление от десятых долей до единиц Ома. Чтобы осуществить такие измерения требуется специальная аппаратура, которая до настоящего времени не выпускается отечественной промышленностью. Это препятствует применению неразрушающего метода тестирования электромиграционных шумов в промышленности. В связи с этим было разработано измерительное устройство, которое по основным техническим характеристикам (чувствительность, помехозащищенность и др.) не уступает известным зарубежным измерителям подобного типа.
Принцип действия устройства основан на модуляции (с последующей демодуляцией) 1/f шумом исследуемой тестовой структуры прямоугольных импульсов тока с постоянной амплитудой Up [79]. Из-за нелинейной ВАХ характеристики компонента UCN колеблется во времени. При наличии дефектов или нарушений в структуре контактного узла или межсоединения, то возрастает компонента ответного сигнала UCN по сравнению с идеальным вариантом тестовой структуры. Если в структуре происходят процессы деградации, то флуктуации компонента UCN возрастает. Импульсы Up и нелинейность создают ответный сигнал с комнонентой UCN, флуктуации которого ассоциируются с неравномерной флуктуацией проводимости образца. На Рис.4.18 показана диаграмма тестовых токовых импульсов.
Блок схема экспериментальной установки измерения компонентов постоянного тока и ответный сигнал с тестовой структуры R показана на Рис.4.19. Электрическая схема - это простая система, которая позволяет измерять компонент UCN И его флуктуации. Электрический ток поступает с генератора, проходит через шунтирующую емкость С к исследуемой тестовой структуре. Выходное напряжение и его флуктуации проходят через фильтр низких частот и замеряются вольтметром и анализатором спектров.
Коэффициент заполнения рассчитывается по формуле: Q = Тр/ту1=( TV1+ Tv2)/ TV1» 2, (1.1) где Тр - период, xvl - длительность текущего импульса. Условие немедленной аппроксимации предлагает, что постоянное напряжение UCNCIc.t) не зависит от периода Тр токовых импульсов. Схема измерительной установки. Следующее соотношение представлено, чтобы обосновать метод измерения неравномерности фликер шумов, используя импульсную зависимость. Спектральная плотность мощности SN(1,f) обуславливается спектральной плотностью SСц(І,і)флyктyaций компонентой UCN и представлена: (1.2) SN(I,f) = [Q3/(Q-2)(Q-l)f2ScN(I,f) Таким образом, измерения PSD постоянного напряжения компоненты флуктуации UCN ответного сигнала с тестовой структуры R позволяет получить информацию о качестве различных типов пассивных приборов и структур.
