Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
Министерство образования Российской Федерации
Кафедра: «Электронное машиностроение».
Курсовой проект
Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
Выполнил: ст-т гр. ЭПУ - 32
Козачук Виталий Михайлович
Проверил: доцент
Шумарин Виктор Пракофьевич
Саратов 2000 г.
СБОРКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Особенности процесса сборки
Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является наиболее трудоемким и ответственным технологическим этапом в общем цикле их изготовления. От качества сборочных операций в сильной степени зависят стабильность электрических параметров и надежность готовых изделий.
Этап сборки начинается после завершения групповой обработки полупроводниковых пластин по планарной технологии и разделения их на отдельные элементы (кристаллы). Эти кристаллы, могут иметь простейшую (диодную или транзисторную) структуру или включать в себя сложную интегральную микросхему (с большим количеством активных и пассивных элементов) и поступать на сборку дискретных, гибридных или монолитных композиций.
Трудность процесса сборки заключается в том, что каждый класс дискретных приборов и ИМС имеет свои конструктивные особенности, которые требуют вполне определенных сборочных операций и режимов их проведения.
Процесс сборки включает в себя три основные технологические операции: присоединение кристалла к основанию корпуса; присоединение токоведущих выводов к активным и пассивным элементам полупроводникового кристалла к внутренним элементам корпуса; герметизация кристалла от внешней среды.
Присоединение кристалла к основанию корпуса
Присоединение кристалла полупроводникового прибора или ИМС к основанию корпуса проводят с помощью процессов пайки, приплавления с использованием эвтектических сплавов и приклеивания.
Основным требованием к операции присоединения кристалла является создание соединения кристалл - основание корпуса, обладающего высокой механической прочностью, хорошей электро- и теплопроводностью.
Пайка - процесс соединения двух различных деталей без их расплавления с помощью третьего компонента, называемого припоем. Особенностью процесса пайки является то, что припой при образовании паяного соединения находится в жидком состоянии, а соединяемые детали - в твердом.
Сущность процесса пайки состоит в следующем. Если между соединяемыми деталями поместить прокладки из припоя и всю композицию нагреть до температуры плавления припоя, то будут иметь место следующие три физических процесса. Сначала расплавленный припой смачивает поверхности соединяемых деталей. Далее в смоченных местах происходят процессы межатомного взаимодействия между припоем и каждым из двух смоченных им материалов. При смачивании возможны два процесса: взаимное растворение смоченного материала и припоя или их взаимная диффузия. После охлаждения нагретой композиции припой переходит в твердое состояние. При этом образуется прочное паяное соединение между исходными материалами и припоем.
Процесс пайки хорошо изучен, он прост и не требует сложного и дорогостоящего оборудования. При серийном выпуске изделий электронной техники припайка полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов производится в конвейерных печах, обладающих высокой производительностью. Пайка проводится в восстановительной (водород) или нейтральной (азот, аргон) среде. В печи загружают многоместные кассеты, в которые предварительно помещают основания корпусов, навески припоя и полупроводниковые кристаллы. При движении конвейерной ленты кассета с соединяемыми деталями последовательно проходит зоны нагрева, постоянной температуры, охлаждения. Скорость движения кассеты и температурный режим задают и регулируют в соответствии с технологическими и конструктивными особенностями конкретного типа полупроводникового прибора или ИМС.
Наряду с конвейерными печами для припайки полупроводникового кристалла к основанию корпуса используют установки, которые имеют одну индивидуальную нагреваемую позицию, на которую устанавливают только одну деталь корпуса (ножку) и один полупроводниковый кристалл. При работе на такой установке оператор с помощью манипулятора устанавливает кристалл на основание корпуса и производит кратковременный нагрев соединяемого узла. В зону нагрева подается инертный газ. Этот способ соединения деталей дает хорошие результаты при условии предварительного облуживания соединяемых поверхностей кристалла и основания корпуса.
Процесс присоединения кристалла пайкой подразделяют на низкотемпературный (до 400°С) и высокотемпературный (выше 400°С). В качестве низкотемпературных припоев используют сплавы на основе свинца и олова с добавками (до 2%) сурьмы или висмута. Добавка сурьмы или висмута в оловянно-свинцовый припой позволяет избежать появления «оловянной чумы» в готовых приборах и ИМС при их эксплуатации и длительном хранении. Высокотемпературные припои изготовляют на основе серебра (ПСр-45, ПСр-72 и др.).
На технологический процесс пайки и качество полученного паяного соединения деталей сильное влияние оказывают чистота соединяемых металлических поверхностей и применяемого припоя, состав атмосферы рабочего процесса и наличие флюсов.
Наиболее широкое применение процесс пайки находит при сборке дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и Др.). Это объясняется тем, что процесс пайки дает возможность получить хороший электрический и тепловой контакт между кристаллом полупроводника и кристаллодержателем корпуса, причем площадь контактного соединения может быть достаточно большой (для приборов большой мощности).
Особое место процесс пайки занимает при закреплении полупроводникового кристалла большой площади на основании корпуса из меди. В этом случае для снижения термомеханических напряжений, возникающих за счет разницы в температурных коэффициентах расширения полупроводниковых материалов и меди, широко используют молибденовые и молибденовольфрамовые термокомпенсаторы, имеющие площадь, равную площади полупроводникового кристалла, а ТКl—близкий к ТКl полупроводника. Такая сложная многоступенчатая композиция с двумя прослойками из припоя с успехом используется при сборке полупроводниковых приборов средней и большой мощностей.
Дальнейшее развитие процесс пайки получил при сборке интегральных микросхем по технологии «перевернутого кристалла». Эта технология предусматривает предварительное создание на планарной стороне кристалла с ИМС «шариковых выводов» или «контактных выступов», которые представляют собой бугорки из меди, покрытые припоем или оловом. Такой кристалл располагают на поверхности подложки или на основании корпуса так, чтобы бугорки соприкасались с ней в определенных участках. Таким образом, кристалл переворачивается и его планарная сторона посредством бугорков контактирует с поверхностью основания корпуса.
При кратковременном нагреве такой композиции происходит прочное соединение контактных выступов полупроводникового кристалла с основанием корпуса. Следует отметить, что те участки поверхности корпуса, с которыми соприкасаются «выступы», предварительно тоже облуживаются. Поэтому в момент нагрева происходит соединение припоя основания корпуса с припоем контактных выступов.
На рис. 1, а показан вариант присоединения кристалла ИМС, имеющего медные облуженные контактные выступы, к подложке. Такая конструкция выводов не боится растекания припоя по подложке. Наличие высокого грибообразного выступа обеспечивает необходимый зазор между полупроводниковым кристаллом и подложкой при расплавлении припоя. Это позволяет проводить присоединение кристалла к подложке с высокой степенью точности.
На рис. 1, в показан вариант сборки кристаллов, имеющих мягкие столбиковые выводы из припоя на основе олово-свинец.
Присоединение такого кристалла к основанию корпуса проводят обычным нагревом без дополнительного давления на кристалл. Припой контактных выступов при нагревании и расплавлении не растекается по поверхности облуженных участков основания корпуса за счет сил поверхностного натяжения. Это, кроме того, обеспечивает определенный зазор между кристаллом и подложкой.
Рассмотренный метод присоединения кристаллов ИМС к основанию корпуса или к какой-либо плате позволяет в значительной степени механизировать и автоматизировать технологический процесс сборки.
Приплавление с использованием эвтектических сплавов. Этот способ присоединения полупроводниковых кристаллов к основанию корпуса основан на образовании расплавленной зоны, в которой происходит растворение поверхностного слоя полупроводникового материала и слоя металла основания корпуса.
В промышленности широкое применение получили два эвтектических сплава: золото-кремний (температура плавления 370°С) я золото-германий (температура плавления 356°С). Процесс эвтектического присоединения кристалла к основанию корпуса имеет две разновидности. Первый вид основан на использовании прокладки из эвтектического сплава, которая располагается между соединяемыми элементами: кристаллом и корпусом. В этом виде соединения поверхность основания корпуса должна иметь золотое покрытие в виде тонкой пленки, а поверхность полупроводникового кристалла может не иметь золотого покрытия (для кремния и германия) или быть покрытой тонким слоем золота (в случае присоединения других полупроводниковых материалов). При нагреве такой композиции до температуры плавления эвтектического сплава между соединяемыми элементами (кристалл-основание корпуса) образуется жидкая зона. В этой жидкой зоне происходит с одной стороны растворение слоя полупроводникового материала кристалла (или слоя золота, нанесенного на поверхность кристалла).
После охлаждения всей системы (основание корпуса - эвтектический расплав-полупроводниковый кристалл) происходит затвердевание жидкой зоны эвтектического сплава, а на границе полупроводник-эвтектический сплав образуется твердый раствор. В результате этого процесса создается механически прочное соединение полупроводникового материала с основанием корпуса.
Второй вид эвтектического присоединения кристалла к основанию корпуса обычно реализуется для кристаллов из кремния или германия. В отличие от первого вида для присоединения кристалла не используется прокладка из эвтектического сплава. В этом случае жидкая зона эвтектического расплава образуется в результате нагрева композиции позолоченное основание корпуса-кристалл кремния (или германия). Рассмотрим подробнее этот процесс. Если на поверхность основания корпуса, имеющего тонкий слой золотого покрытия, поместить кристалл кремния, не имеющий золотого покрытия, и всю систему нагреть до температуры на 40-50°С выше температуры эвтектики золото-кремний, то между соединяемыми элементами образуется жидкая фаза эвтектического состава. Так как процесс сплавления слоя золота с кремнием является неравновесным, то количество кремния и золота, растворившихся в жидкой зоне, будет определяться толщиной золотого покрытия, температурой и временем проведения процесса сплавления. При достаточно больших выдержках и постоянной температуре процесс сплавления золота с кремнием приближается к равновесному и характеризуется постоянным объемом жидкой фазы золото-кремний. Наличие большого количества жидкой фазы может привести к вытеканию ее из-под кристалла кремния к его периферии. При затвердевании вытекшая эвтектика приводит к образованию достаточно больших механических напряжений и раковин в структуре кристалла кремния, которые резко снижают прочность сплавной структуры и ухудшают ее электрофизические параметры.
