Крепление подложек и кристаллов

Метод крепления подложек и кристаллов на основании корпуса, а также кристаллов и других компонентов на подложках зависит от выбора материала присоединительного слоя - клея, стекла, припоя и т. д. Материал присоединительного слоя должен обеспечивать эффективный отвод тепла в подложку или корпус в зависимости от выделяемой мощности, хорошее согласование температурных коэффициентов расширения (ТКР) соединяемых элементов в широком диапазоне рабочих температур, стойкость к динамическим воздействиям в условиях воздействия вибраций и ударов. В отдельных случаях присоединительный слой должен быть электропроводным.

Отвод теплоты от кристалла в полых корпусах осуществляется главным образом через присоединительный слой за счет механизма теплопроводности.

Достаточно малые тепловые сопротивления имеют присоединительные слои на основе металлических припоев. Наибольшее сопротивление имеют клеевые соединения (вследствие малого коэффициента теплопроводности).

Различие температурных коэффициентов расширения подложки и основания в условиях нагрева или охлаждения вызывает в них внутренние напряжения (растягивающие или сжимающие) в зависимости от соотношения ТКР. При хорошей адгезии напряжения могут превысить предел прочности материала слоя на растяжение или сжатие, так как его прочность обычно ниже прочности соединяемых деталей. Наилучшие условия согласования возникают при плавном изменении состава, а, следовательно, и ТКР присоединительного слоя. Такие условия, в частности, возникают при пайке контактным плавлением.

При вибрациях, ударах и статических перегрузках на элементы конструкции микросхемы действуют распределенные нагрузки. Эти силы в зависимости от направления стремятся сдвинуть или оторвать элемент. Благодаря малой массе, элементы микросхемы (включая подложку) хорошо противостоят действию статических перегрузок и одиночных ударов.

Более существенное влияние на прочность соединения оказывают длительные вибрационные воздействия, которые могут привести к усталостным разрушениям в слое. Развитию усталостных разрушений способствуют температурные деформации, возникающие при изменении температуры во время эксплуатации, а также остаточные температурные деформации в результате нагрева в процессе выполнения операции соединения. Наименее стойкими к вибрационным воздействиям являются соединения стеклом, обладающие хрупкостью и пониженной прочностью на растяжение.

Процесс крепления подложек и кристаллов можно условно представить в виде последовательности этапов:

1) подготовка поверхности основания и нанесение присоединительного материала (клея, стекла, припоя);

2) ориентированная установка подложки на основание;

3) собственно присоединение, которое в общем случае выполняется под давлением и с нагревом.

Наиболее точным и производительным способом нанесения присоединительного материала, обладающего свойствами пасты (клей, суспензия стекла, лудящая паста), является сеткографический способ, который, кроме того, позволяет обеспечить достаточно точную дозировку присоединительного материала. Конструкция корпуса микросхемы должна при этом обеспечивать возможность плотного прилегания сетки к основанию.

Собственно присоединение можно выполнять индивидуально для каждого кристалла на специальных технологических установках (обычно при соединении пайкой) или групповым способом в кассетах под необходимым давлением с общим нагревом в печах или термостатах.

_______________________________________________________________

Клеевые соединения используют для микросхем и компонентов пониженной мощности. Технология клеевых соединений проста и может быть применена для широкого круга материалов (с использованием клеев на эпоксидной основе) и диапазона рабочих температур от -60 до +150°C, (кратковременно до 450°С). Клеевые соединения стойки к вибрациям.

Основным недостатком эпоксидных смол является высокий ТКР и пониженная теплопроводность. Кроме того, клеевые соединения характеризуются наличием внутренних напряжений.

Монтаж кристаллов и подложек, предназначенных для работы в герметизированных корпусах, возможен только теми клеями, которые не содержат активных компонентов, способных при температуре эксплуатации выделяться из клеевой прослойки и заполнять объем корпуса.

Качество поверхности соединяемых элементов оказывает большое влияние на прочность клеевого слоя. Поэтому с поверхностей перед склеиванием тщательно удаляют загрязнения и жировые пленки, затем проводят сушку.

Прочность клеевого слоя в объеме зависит от совершенства структуры полимера. Количество дефектов увеличивается с толщиной слоя и прочность соединения падает.

В качестве материала для соединения кристалла значительный интерес представляет эпоксидный клей с серебряным наполнителем, хотя растет интерес и к полиимидным клеям из-за их способности противостоять высоким рабочим температурам. Серебряный наполнитель делает эти материалы как электропроводными для обеспечения низкого сопротивления между кристаллом и подложкой, так и теплопроводными, в результате чего существует хороший теплоотвод от кристалла к основанию корпуса.

Пайка стеклами позволяет достичь хорошего согласования соединяемых материалов по ТКР, так как, варьируя состав стекла, можно изменять его ТКР в широких пределах. Пайку стеклом в основном применяют для крепления керамических, поликоровых и ситалловых подложек. Наилучшая адгезия стекла и, следовательно, прочность соединения обеспечиваются с материалами, представляющими собой смеси окислов (ситалл, поликор, керамика 22ХС), или с металлами, имеющими на поверхности прочный слой окисла.

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

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

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

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

Более высокую температуру плавления (370°С) имеет эвтектический сплав Аu-Si (94 и 6 масс. %), который также в виде фольгового диска помещают между кристаллом и основанием. Для улучшения смачивания кристалла припоем целесообразны золочение поверхности кристалла, а также ультразвуковые колебания инструмента, прижимающего кристалл. Рабочую температуру устанавливают в пределах 390-420°C, т.е. выше температуры эвтектики.

Разновидностью пайки эвтектическим сплавом Аu-Si является соединение кремниевого кристалла с золоченой поверхностью основания за счет контактного плавления без введения припоя (контактно-реактивная пайка). При использовании этого метода нижняя поверхность кристалла должна быть освобождена от пассивной пленки, что достигается стравливанием двуокиси кремния с групповой пластины до разделения. Соответствующие площадки на ситалловой или поликоровой подложке могут быть получены вакуумным осаждением золота. Площадку на основании металлического корпуса целесообразно формировать локальным гальваническим золочением. Позолоченные площадки на керамических подложках или основаниях корпусов получают вжиганием золотой пасты.

Поскольку все виды пайки металлическими припоями, включая пайку контактным плавлением, можно выполнять на механизированных установках, применение флюсов в этих условиях снизило бы эффективность использования таких установок. Поэтому пайку обычно производят в защитной или защитно-восстановительной среде путем подачи соответствующего газа, который охлаждает полученное соединение.

_______________________________________________________________

Дата добавления: 2014-01-03