Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Монтаж кристаллов и проволочных выводов в 3D-изделиях микроэлектроники 10
1.1. Стековые 3D БИС с разваркой выводов 10
1.2. Покрытия контактных площадок кристаллов и корпусов для сборочных операций
1.2.1. Алюминиевая металлизация на кристаллах 14
1.2.2. Медная металлизация на кристаллах 15
1.2.3. Покрытия корпусов золотом 16
1.3. Монтаж кристаллов в 3D-изделиях 19
1.3.1. Сборка с использованием технологии «flip-chip» 20
1.3.2. Соединение кристалла с корпусом с использованием непроводящего адгезива и анизотропного проводящего клея 24
1.3.3. Соединение кристаллов клеящими лентами 27
1.4. Способы монтажа проволочных соединений в полупроводниковых изделиях 30
1.4.1. Термозвуковая микросварка 31
1.4.2. Ультразвуковая микросварка 32
1.4.3. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН)
1.5. Контроль качества монтажа кристаллов и внутренних выводов 34
1.6. Методы, приборы и оборудование, используемое для проведения экспериментов 38
Выводы и постановка задач для исследований и разработок 39
ГЛАВА 2. Использование технологии перевернутого кристалла «flip-chip» при сборке 3D бис 42
2.1. Формирование столбиковых выводов/шариков припоя на контактные площадки кристаллов/подложек 42
2.2. Расчет прочности соединения золотого столбикового вывода с контактной площадкой подложки 46
2.3. Способ изоляции при монтаже перевернутых кристаллов (новый метод сборки по технологии «flip-chip») 51
2.4. Заполнение зазора между кристаллом и подложкой после сборки по технологии «flip-chip» 56
2.5. Новый способ сборки трехмерных интегральных схем 3D БИС 58
Выводы 66
ГЛАВА 3. Оптимизация режимов узс алюминиевой проволоки с медной металлизацией кристаллов и золотым покрытием корпусов 3D-изделий микроэлектроники 68
3.1. Исследование медной металлизации контактных площадок кремниевых кристаллов 69
3.1.1. Поверхностное и удельное сопротивление медной металлизации 70
3.1.2. Исследование микроструктуры и химического состава медной металлизации 74
3.1.3. Исследование микротвердости медной металлизации на кристалле с использованием пирамиды Кнупа
3.2. УЗС алюминиевой проволоки к Cu-Ni металлизации с никелевым покрытием на кристалле 79
3.3. Плазменная обработка позолоченных корпусов перед сборочными операциями 81
3.3.1. Анализ поверхности позолоченных корпусов до и после плазменной обработки 83
3.3.2. Влияние плазменной обработки на прочность соединений Al – Au 85
Выводы 86
ГЛАВА 4. Практическое применение результатов исследований в производстве 3D-изделий микроэлектроники 88
4.1. Уменьшение остаточных термомеханических напряжений на границе подложка-металлическое покрытие 88
4.2. Термозвуковой способ приварки вывода в полупроводниковом приборе 95
4.3. Устройство охлаждения/нагрева ИС с использованием эффекта Пельтье 99
Выводы 108
Заключение 109
Литература
- Алюминиевая металлизация на кристаллах
- Способ изоляции при монтаже перевернутых кристаллов (новый метод сборки по технологии «flip-chip»)
- Исследование микротвердости медной металлизации на кристалле с использованием пирамиды Кнупа
- Термозвуковой способ приварки вывода в полупроводниковом приборе
Введение к работе
Актуальность темы. Технология трехмерной сборки кристаллов, или ЗБ-сборка, является наиболее перспективной, позволяет снижать размеры микросхем за счет повышения плотности упаковки, увеличивать пропускную способность соединений внутри кристалла и уменьшать его энергопотребление. Данная технология дает возможность совмещать в одном корпусе произведенные по различным технологиям цифровые и аналоговые схемы, память и микроэлектромеханические системы (МЭМС).
В настоящее время методами ЗО-сборки в полной мере ни одно из отечественных предприятий не располагает, хотя за последние несколько лет неоднократно делались заявления о намерениях внедрить такие технологии на российском рынке.
Сборку трехмерных ИС 3D БИС на данном этапе целесообразно проводить с разработкой технологий монтажа кристаллов друг на друга с последующим соединением с корпусом с использованием проволочных выводов или выводов, закрепленных на полиимидной ленте.
Диссертация выполнена на кафедре «Полупроводниковая электроника и наноэлектроника» ВГТУ по договору о научно-техническом сотрудничестве с АО «Научно-исследовательский институт электронной техники» и ГБ 2013.34 «Проектирование и разработка технологии изготовления изделий микроэлектроники» № гос. per. 01201367435.
Цель и задачи работы. Целью работы является решение научно-технической задачи по влиянию конструктивно-технологических факторов на сборку 3D БИС с использованием технологии перевернутого кристалла «flip-chip».
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
анализ конструкций трехмерных интегральных схем 3D БИС, обоснование и выбор вида монтажа внутренних соединений;
разработка нового способа сборки трехмерных интегральных схем 3D БИС с использованием выводов, закрепленных на полиимидной ленте;
разработка способа изоляции при монтаже перевернутых кристаллов (метод «flip-chip»);
обоснование и выбор покрытий контактных площадок кристаллов и траверс корпусов для формирования внутренних соединений в ЗБ-изделиях; выбор оптимальных режимов УЗС алюминиевой проволоки диаметром 50 мкм с металлизацией Cu-Ni;
исследование влияния плазменной обработки позолоченных корпусов на качество соединений алюминиевой проволоки с корпусом;
разработка способа уменьшения остаточных термомеханических напряжений на границе подложка-металлическое покрытие;
разработка способа приварки выводов в полупроводниковых приборах;
разработка устройства для регулировки температуры интегральных схем при эксплуатации.
Методы исследований.
Исследования химического состава поверхностного слоя Cu-Ni покрытий проводились на электронном микроанализаторе типа JED-2300 Analysis Station.
Сканирование поверхности проводилось полуконтактным методом кан-тилевером NSG10 на СЗМ Интегра «Прима» (г. Зеленоград).
Измерения микротвердости проводились на твердомере ПМТ-4 с использованием пирамиды Кнупа.
Плазменная обработка проводилась на производственной ВЧ-установке Nordson March АР-1000 в реакционно-разрядной камере с диодной системой возбуждения разряда. Источником питания служил ВЧ-генератор с рабочей частотой 13,56 МГц. В качестве плазмообразующего газа применяли аргон (Аг) (рабочее давление 20 Па; мощность ВЧ 500 Вт).
Оценка прочности алюминиевых проволочных соединений с позолоченной контактной площадкой корпуса осуществлялась на установке контроля прочности сварных соединений Dage 4000 PXY с картриджем (WP - 100).
Научная новизна работы. В результате проведенных исследований и разработок получены следующие новые научные и технические результаты:
1. Предложено при оборис трехмтрных интегральных схем 3D БИС соединение кристаллов с корпусом осуществлять групповым способом с использованием технологии «flip-chip» и выводов, закрепленных на полиимидной ленте.
-
Показано, что использование медной металлизации с никелевой защитной пленкой на Si-кристаллах обеспечивает качественное соединение с алюминиевой проволокой.
-
Экспериментально подтверждено, что плазменная обработка позолоченных корпусов ИС в среде (Аг) повышает прочность соединений алюминиевых проволочных выводов с корпусом на 18 % вследствие улучшения адгезионных характеристик поверхности.
4. Разработан способ уменьшения остаточных термомеханических
напряжений на границе подложка-металлическое покрытие.
5. Разработано устройство для регулировки температуры полупроводни
ковых изделий, основанное на эффекте Пельтье, в котором основание корпуса
является верхним теплопереходом термоэлектрического модуля.
Реализация результатов работы, практическая значимость.
1. Разработан способ сборки трехмерных интегральных схем 3D БИС с
использованием технологии «flip-chip» и формирования соединений кристалла
с корпусом групповым способом с использованием выводов, закрепленных на
полиимидной ленте.
На способ получен патент РФ на изобретение №2584180; опубл. 20.05.2016. Бюл. №14.
2. Разработан способ изоляции при монтаже перевернутых кристаллов
(метод «flip-chip»), позволивший уменьшить пустоты в зазоре «кристалл-
подложка» при «заливке» герметизирующего компаунда.
На способ отправлена заявка на изобретение №2016132921 от 09.08.2016.
3. Предложено использование медной металлизации (с никелевой защит
ной пленкой) на Si-кристаллах при ультразвуковой сварке (УЗС) внахлест алю
миниевой проволокой.
-
Для повышения прочности соединений алюминиевых проволочных выводов с позолоченной поверхностью корпуса рекомендуется плазменная обработка позолоченных корпусов в среде Аг.
-
На операции напыления металлических пленок на обратную сторону полупроводниковой подложки предложен способ уменьшения остаточных термомеханических напряжений на границе Si-подложка - металлическое покрытие.
На способ получен патент РФ на изобретение №2569642; опубл. 30.10.2015. Бюл. №33.
6. Разработан способ приварки выводов в полупроводниковых приборах,
сочетающий термокомпрессионную сварку и УЗС, что позволяет повысить
прочность сварных соединений.
На способ получен патент РФ на изобретение №2525962; опубл. 20.08.2014. Бюл. №23.
7. Разработано устройство для отвода тепла от ИС, СБИС, силовых моду
лей, блоков радиоэлектронной аппаратуры и т.п. на основе эффекта Пельтье,
позволяющее не только охлаждать изделия, но и при необходимости нагревать
их.
На устройство получен патент РФ на изобретение №2528392; опубл. 23.07.2014. Бюл. №26.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Способ сборки трехмерных интегральных схем 3D БИС с использованием технологии «flip-chip» и монтажа внутренних выводов, закрепленных на полиимидной ленте.
-
Режимы ультразвуковой сварки, улучшающие качество соединений алюминиевой проволоки к медной металлизации с никелевым покрытием на кристаллах.
-
Плазменная обработка в среде Аг позолоченных корпусов способствует удалению углерода с поверхности корпуса, что повышает прочность соединений алюминиевых проволочных выводов с корпусом.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и
обсуждались на следующих конференциях и научно-технических семинарах:
Всероссийской научно-практической конференции «Радиационная стойкость
материалов и изделий микроэлектроники» (Воронеж, 2012); Международной
научно-практической конференции «Комплексные проблемы техносферной
безопасности» (Воронеж, 2014); конференции профессорско-
преподавательского состава, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2012-2016); XVIII Международной научно-практической конференции «Современные тенденции развития науки и технологии» (Белгород, 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 научные работы, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 патента РФ на изобре-
тения, 1 заявка на изобретение. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,2] -анализ покрытий и способов сборки в ЗБ-изделиях; [3-5] - выбор режимов УЗ сварки проволочных выводов; [6-9] - проведение патентного поиска, литературный обзор по сборке изделий микроэлектроники с использованием медной металлизации, обсуждение полученных результатов применительно к новым разработкам; [10-22] - литературный обзор по покрытиям, проведение экспериментов по сборке выводов с металлизацией контактных площадок кристаллов и корпусов, анализ экспериментальных данных, [1-22] - обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 106 наименований и двух актов использования результатов диссертации на предприятиях микроэлектроники. Работа изложена на 125 страницах, содержит 55 рисунков и 3 таблицы.
Экспериментальная часть диссертации выполнялась на кафедре «Полупроводниковая электроника и наноэлектроника» ВГТУ и на предприятии АО «Научно-исследовательский институт электронной техники».
Алюминиевая металлизация на кристаллах
В последние годы в производстве изделий микроэлектроники (и не только электроники) на первый план выходит экологическая безопасность производств и технологических процессов. Новое законодательство об охране окружающей среды в виде директивы Совета Европы по экологической безопасности RoHS (Restriction of use of Certain Hazardous Substances – ограничение на использование опасных веществ) стало причиной многих проблем для фирм, занимающихся распайкой плат традиционными методами с использованием припоев, содержащих свинец [25-27].
При изготовлении ППИ одним из наиболее распространенных гальванических покрытий корпусов является чистое золото (99,9 %). Золото обладает комплексом как положительных, так и отрицательных свойств. К положительным свойствам относятся высокая электропроводность, низкое контактное сопротивление, хорошая смачиваемость припоем, высокая коррозионная стойкость, способность к сварке различными методами. К недостаткам следует отнести следующие: низкое сопротивление механическому и абразивному износу; пористость в покрытиях, особенно в тонких слоях; ослабление паяных соединений вследствие растворения покрытий в припоях, особенно содержащих свинец [28-30].
Высокий электродный потенциал золота обусловливает также и то, что микросварные соединения алюминиевой проволоки с пленкой золота и золотой проволоки с алюминиевой металлизацией являются активной электрохимической парой с разностью потенциалов 3,16 В. Поэтому при наличии остатков влаги в корпусе происходит электрохимическая коррозия с разрушением контактов микросварных соединений.
В технологии производства изделий микроэлектроники наиболее широко применяется гальваническое золочение корпусов. Золото легко осаждается на меди, никеле, серебре и при соответствующей подготовке поверхности на молибдене, вольфраме, алюминии, титане, коваре, кремнии и германии. Электролиты для осаждения золота можно разбить на две основные группы: цианистые и нецианистые. Нецианистые электролиты мало применяются в технологии осаждения золота. Цианистые электролиты делятся на три подгруппы: щелочные, нейтральные и кислые [30].
Заслуживает внимания технология иммерсионного золочения корпусов, включающая контактное восстановление металлов из их растворов на электроотрицательных поверхностях. При этом процессе происходит реакция замещения металла – основы на металлы из раствора. Для этого процесса достаточно погрузить деталь в раствор из менее отрицательного металла и начнется процесс иммерсионного осаждения. Процесс прекращается после образования плотной пленки, так как прекращается контактный обмен. Этим методом получают тонкие покрытия (десятые доли микрометра). Несмотря на достаточно маленькую толщину, покрытия бывают сплошными, поскольку контактный процесс восстановления продолжается до тех пор, пока поверхность основы не закроется полностью [31].
Иммерсионное золочение находит широкое применение в качестве конечного покрытия контактных площадок печатных плат. По данной технологии на медь химически осаждается никель, а затем золото толщиной 0,05-0,1 мкм. Золото такой толщины защищает подслой никеля от окисления при пайке. Золото при температуре пайки растворяется в припое, образуя чистую поверхность никелевого подслоя, что улучшает смачивание припоем.
Испытания покрытия Ni/Au (иммерсионное золото толщиной 0,1 мкм с подслоем никеля 3 – 6 мкм) на паяемость и способность сохранения паяемости при длительном хранении показали [32] лучшие результаты по сравнению с иммерсионным оловом (ImmSn) и иммерсионным серебром (ImmAg). Покрытия Ni/Au подвергались ускоренному искусственному старению в следующих условиях: атмосфера сухая при 155 оС в течение 4 часов; атмосфера пара в течение 8 часов; атмосфера влажная при 85 оС, относительная влажность 85 % в течение 24 часов, что соответствует нахождению при нормальных условиях хранения в течение 5800 часов.
Когда требуются сверхчистые покрытия для сборочных операций, проводится локальное напыление золотой металлизации. Толщина пленок является важным параметром, определяющим тенденцию к изменению субструктуры. Повышение толщины связано с увеличением времени выдержки при температуре конденсации и с изменением влияния поверхности, на которую могут выходить точечные и закрепляться линейные, поверхностные и объёмные дефекты. Это явление оказывает влияние на микро– и макронапряжения в проводящих дорожках пленочных ППИ. Напряжения особенно опасны при формировании токопроводящих дорожек и контактных площадок для присоединения внутренних выводов. Удаление частиц пленок (методами фотолитографии) с положительными или отрицательными напряжениями нарушает локальное механическое равновесие, которое совместно с силами адгезии удерживает пленку от разрушения.
Подтравливание деформированных участков на границе с подложкой может привести к локальному отслаиванию пленки вдоль границы дорожки. В работе [33] приведены данные о растягивающих напряжениях в пленках золота толщиной 0,1 – 0,3 мкм. В пленках золота отжиг всегда приводит к снижению напряжений.
С целью формирования надежных контактов проволоки с позолоченным корпусом требуется тщательная подготовка корпусов к сборочным операциям [34,35].
Температура разложения (диссоциации) оксидов золота Au2O3 составляет 155-160 С, а Au2O – 250 С. Наибольший эффект восстановления золота из оксидов достигается путем отжига деталей ППИ с золотым покрытием в вакууме при температуре 160-250 С [36].
Способ изоляции при монтаже перевернутых кристаллов (новый метод сборки по технологии «flip-chip»)
С целью уменьшения (исключения) пор в зазоре «кристалл-подложка» целесообразно процесс «заливки» проводить в вакууме.
Разработана сборка методом «flip-chip» [68], на которую поступают кристаллы и подложки со сформированными на них контактными столбиками. При сборке между кристаллом и подложкой размещают фольгу толщиной менее 50 мкм из диэлектрических материалов: Al2O3, полиимида или оксида бериллия. В фольге имеются отверстия, расположение которых соответствует расположению контактных столбиков на соединяемых поверхностях кристалла и подложки. Авторы работы [68] основной целью использования данного способа сборки ставят изоляцию при монтаже перевернутых кристаллов. По мнению авторов, пленка выполняет роль опорного изолирующего слоя и равна высоте контактных столбиков. При сборке на плату методом перевернутого кристалла изолирующий слой заполняет промежуток между кристаллом и платой.
Рассмотрим подробно технологию данного способа сборки приборов. Перед сборкой в отверстиях фольги размещают припой. При сборке совмещают отверстия со столбиками кристалла и подложки и нагревают прибор до температуры плавления припоя. Использование диэлектрической фольги устраняет растекание припоя по поверхности подложки и вероятность короткого замыкания между контактами прибора.
Основным недостатком данного способа является достаточно трудоемкая технология сборки, что повышает себестоимость выпускаемых приборов. Кроме того, совмещение контактных столбиков кристалла и подложки в отверстиях фольги из диэлектрического материала осуществляется с некоторым отклонением столбиков кристалла и подложки относительно друг друга. Это связано с естественными допусками размеров столбиков. Практически коаксиального расположения столбиков кристалла и подложки достичь невозможно.
Использование диэлектрической фольги между кристаллом и подложкой не только устраняет растекание припоя по соединяемым поверхностям, но и уменьшает площадь физического контакта между деталями из-за неизбежного наличия пор. Возможно наличие линии разграничений по границам диэлектрической фольги с поверхностями кристалла и подложки по причине неполного контакта соединяемых поверхностей. Эти факторы снижают отвод тепла от кристалла к подложке.
Предлагается новый способ изоляции при монтаже перевернутых кристаллов (метод «flip-chip»). Схема данного способа сборки представлена на рис 2.9.
На сборку поступают готовые кристаллы с контактными столбиками, например, из золота на лицевой поверхности кристалла (рис. 2.4). Золотые столбики формируют на контактных площадках кристаллов в составе пластины из Si при помощи одной из модификаций метода термокомпрессионной сварки «шариком», применяющегося при формировании проволочного соединения из золота встык.
При традиционном методе создания контактных столбиков на кристалле из золотой проволоки применяется «чеканка» – принудительная деформация заостренного участка проволоки с применением механического давления. Данная операция необходима для создания плоской поверхности и выравнивания высоты столбиков.
В предлагаемом способе сборки полупроводникового прибора методом «flip-chip» данная операция не требуется. Следующее отличие заключается в том, что на подложке отсутствуют контактные площадки из пленочной металлизации.
На подложке вместо контактного столбика сформировано глухое углубление, заполненное припоем 5 (рис. 2.9). Глубина канавки на подложке определяется диаметром контактного столбика на кристалле, диаметром отверстия в клеящей ленте и зазором между столбиком и отверстием в ленте. Между кристаллом и подложкой размещают клеящую ленту, имеющую отверстия, рисунок которых является зеркальным отображением расположения столбиков на кристалле.
При сборке столбиковые выводы кристалла через отверстия в ленте совмещают с припоем на подложке. После сборки прибор помещают на подставку в вакуумной камере, нагревают до температуры плавления припоя и одновременно прикладывают внешнее давление на кристалл. При нагреве до температуры пайки и соответствующем давлении на кристалл припой расплавляется, столбик кристалла углубляется в отверстие. При этом происходит смачивание припоем всей поверхности столбика. Часть припоя вытесняется из отверстия, в результате этого происходит заполнение зазора между столбиком и отверстием в клеящей ленте (рис. 2.9, б).
Исследование микротвердости медной металлизации на кристалле с использованием пирамиды Кнупа
Наряду с положительными свойствами меди по сравнению с алюминием (низкое удельное сопротивление – 1,7 мкОмсм, высокая устойчивость к электромиграции) медь обладает отрицательным свойством, таким как наличие оксидной пленки. Оксидная пленка на поверхности медной металлизации снижает качество сборочных операций при микросварке внутренних соединений между кристаллом и корпусом.
Для защиты медной металлизации от окисления после нанесения ее защищают такими пленками, как Au, Ag и Ni заданной толщины. Толщина защитных покрытий выбирается опытным путем. Наиболее перспективным с точки зрения экономических и технологических особенностей является никелевое покрытие (Cu-Ni). Известны [78] сведения о ТЗС золотой проволоки к медной металлизации на контактных площадках кристаллов. При этом в качестве защитного покрытия меди использовали серебро (соединительный слой).
Основной проблемой при сборке ППИ (пайка кристаллов, имеющих серебро на паяемой поверхности, и сварка внутренних выводов к серебряным покрытиям на кристалле и корпусе) является сульфидная пленка Ag2S на поверхности [79]. Для получения качественных соединений в ППИ, имеющих серебряное покрытие, необходима тщательная подготовка соединяемых деталей к сборочным операциям.
Следует отметить, что соединения системы золото-серебро склонны к электромиграции, так как обладают неограниченной взаимной растворимостью. Это явление приводит к разрушению контактов Au-Ag из-за полного растворения серебра в контакте. При повышенной влажности и температуре на серебряном покрытии вырастают тонкие копьевидные кристаллы, так называемые «усы». Это может привести к короткому замыканию или размыканию токове-дущих дорожек на кристалле при пониженных температурах. Для проволочных соединений на кристаллах с металлизацией Cu-Ni можно использовать ультразвуковую или термозвуковую микросварку. На основе анализа литературных данных и собственных исследований по качеству проволочных соединений на кристаллах ППИ целесообразно использовать УЗС. Экспериментальным путем установлены оптимальные режимы УЗС алюминиевой проволоки диаметром 50 мкм к кристаллам с Cu-Ni металлизацией: время 40 мс; давление инструмента 50 г; мощность ультразвукового генератора 95 единиц по шкале установки УЗС.
Для формирования соединений использовалась универсальная автоматическая установка марки F&K Delvotec 64000 G5 DA с инструментом фирмы SPT с плоской поверхностью.
На выбранных режимах внахлест было получено 20 соединений с оценкой качества контактов Al-Cu-Ni. Прочность соединений оценивалась по известной методике, широко применяемой на сборочных операциях изделий микроэлектроники, натяжением крючком в заданном участке проволочной перемычки.
Интегральное распределение прочности соединений представлено на рис. 3.6, где показано, что прочность соединений стабильная и изменяется в пределах 20-27 сН, что превышает данные прочности по ТУ.
Все полученные соединения являются качественными как по внешнему виду, так и по характеру разрушения соединений при оценке прочности методом натяжения проволочной перемычки. По ТУ соединения считаются качественными [58], если при оценке прочности методом разрушения сварное соединение остается на контактной площадке (разрушение происходит по «шейке» – участку перехода сварного соединения в проволоку (рис. 3.7, б).
Подготовка поверхности металла корпуса, заключающаяся в получении микрорельефа с малой шероховатостью, существенно влияет на качество сборочных операций в производстве изделий микроэлектроники. Шероховатость поверхности исходного металла изменяется на различных технологических операциях изготовления корпусов (штамповка, шлифование, полирование, травление и т.д.). В связи с изменением морфологии поверхности корпусов изменяется и структура металлизации, которая, как правило, наносится на корпусы для сборочных операций.
Одним из критичных соединений в производстве изделий микроэлектроники являются контакты алюминиевой проволоки с позолоченным корпусом. Качество данных контактов повышают различными химическими и физическими способами обработки соединяемых деталей. Например, обработка атмосферной плазмой поверхности подложек влияет на прочность сварных соединений.
Механическую прочность и воспроизводимость микросварных соединений при УЗС алюминиевой проволоки к позолоченным корпусам ППП повышают обработкой золотых пленок корпусов лазерным излучением неодимового оптического квантового генератора (ОКГ). При данном методе обработки происходит десорбция органических загрязнений и естественных оксидных пленок с поверхности золотых покрытий [34].
Воздействие ультрафиолетового (УФ) излучения с плотностью потока 1,210-2 Вт/см2 на длине волны 0,2537 мкм и озона (расход кислорода – 0,8 л/мин) используют при обработке позолоченных корпусов перед сборочными операциями [35].
В данном разделе анализировалась прочность микросварных соединений алюминиевой проволоки к позолоченному корпусу типа H16.48-2В, предварительно обработанному плазмой. В экспериментах использовалась производственная ВЧ-установка Nordson March AP-1000 в реакционно-разрядной камере с диодной системой возбуждения разряда. В качестве плазмообразующего газа использовался аргон (Ar). Основные режимы обработки: рабочее давление 20 Па; мощность ВЧ 500 Вт [80]. Источником питания установки служил ВЧ-генератор с частотой 13,56 МГц.
Термозвуковой способ приварки вывода в полупроводниковом приборе
Для охлаждения ППИ существует две основных группы методов: пассивные и активные. Для пассивных методов характерен естественный путь отвода тепла – конвекцией, теплопроводностью и излучением. Активные методы используют принудительный теплоотвод с применением вентиляторов, термоохладителей или омывающих жидкостей.
Перегрев кристалла изменяет электрические характеристики прибора и снижает его надежность. Тепловой расчет температуры перегрева кристалла проводят на этапе проектирования изделий. Требования к тепловому режиму необходимо учитывать при выборе материала корпуса или подложки, а также конструкции приборов.
Тепловой режим ППИ в значительной степени определяет их надежность. Статистика показывает, что в 60 % случаев причиной выхода радиоэлектронной аппаратуры из строя является нарушение теплового режима как устройства в целом, так и отдельных его элементов [99].
Современной технологией охлаждения ППИ является применение термоохладителей, действие которых основано на эффекте Пельтье [100]. При протекании постоянного тока через цепь из двух разнородных полупроводников в местах контактов в зависимости от направления тока выделяется или поглощается тепло. Термоохладители (термоэлектрические модули – ТЭМ) выдерживают 200 тысяч часов работы (вентиляторы – 50 тысяч).
Известен теплоотвод [101], представляющий собой устройство из алюминиевого сплава для отвода тепла с использованием термоэлектрического элемента Пельтье, которое имеет форму куба и монтируется к охлаждаемому прибору нижней поверхностью. Параллельно нижней установочной поверхности объем куба просверлен насквозь в нескольких местах по взаимно перпендикулярным направлениям. Для улучшения воздушной вентиляции устройства сквозные отверстия сообщаются с вертикальными отверстиями, выходящими на верхнюю поверхность куба. Одновременно в объем куба введено несколько тепловых трубок, заполняемых на 15-18 % своего объема рабочей охлаждающей жидкостью. Недостатком данного теплоотвода является сложность технологии сборки охлаждающего полупроводникового блока к охлаждаемому изделию микроэлектроники.
Преимуществами построения систем охлаждения и термостабилизации с применением ТЭМ на основе эффекта Пельтье являются [102]: – малые габариты (3,4 мм х 3,4 мм) и вес (меньше 2 г) определяют отсутствие альтернативных решений для термостабилизации и охлаждения в микро-и фотоэлектронике; – высокая надежность, например, компания «КРИОТЕРМ» гарантирует для своих ТЭМ среднее время наработки на отказ не менее 200000 часов; – высокая охлаждающая способность на единицу веса и объема – до 150 Вт/г и до 100 Вт/см2; – возможность плавного и высокоточного регулирования температурного режима; – малая инерционность, быстрый переход из режима охлаждения в режим нагрева.
ТЭМ на основе эффекта Пельтье включают более 250 наименований со стандартными типоразмерами (40 мм х40 мм,30 мм х30 мм,15 мм х15 мм и др.), а также специально разработанные от микромодулей до модулей с габаритами 62,5 мм х 62,5 мм.
Следует отметить, что недостатком использования ТЭМ в качестве термоохладителя является снижение передачи тепла от ИС, СБИС, силовых модулей и блоков РЭА к охладителю. Это связано с особенностями крепления ТЭМ к охлаждаемому изделию.
Известно [103], что силовые модули крепятся к охладителю с помощью винтов, заклепок, подпружинистых шайб и др. Для наилучшей передачи тепла от основания к охладителю используют теплопроводящие пасты и специальные прокладки из алюминиевой фольги, тонкие прокладки из теплопроводящего, но изолирующего материала (каптона, полиимидной пленки). Использование специальных теплопроводящих паст и прокладок необходимо для сглаживания неровностей соединяемых поверхностей. Чем больше шероховатость поверхностей, тем толще должен быть вспомогательный слой. Эти факторы усложняют технологии сборки ППИ
Используются также устройства охлаждения ИС [104]. По данному устройству на ИС в керамическом корпусе наклеивается алюминиевый тепло-растекатель, а на него - охлаждающий полупроводниковый блок, использующий эффект Пельтье. К верхней горячей поверхности охлаждающего блока присоединяется радиатор, к которому привинчивается вентилятор. Для сборки устройства применяется теплопроводящая адгезионная пленка.