Термокомпрессия

Электрические соединения контактных площадок кристалла кремния с выводами корпуса осуществляется 3-мя способами:

1) Термокомпрессия

2) Микросварка

3) Пайка

Термокомпрессия - это метод, основанный на адгезии металлов (взаимное смачивание металлов) при повышенной температуре и давлении, которые достаточны для пластической деформации одного из металлов. При термокомпрессии температура соединения < температуры плавления материалов. Поэтому соединяемые элементы не сплавляются друг с другом, а происходит их взаимное смачивание.

1- клиновидная игла

2- непосредственно вывод - усик (иногда золотой)

3- алюминиевая контактная площадка

4- кристалл кремния

Рис. Выполнение термокомпрессионного соединения.

Термокомпрессионное присоединение вывода к контактной площадке осуществляется следующим образом: кристалл кремния нагревается до температуры 350-400C, гибкий проволочный вывод помещается над контактной площадкой (это алюминиевая плёнка толщиной меньше 1мкм).

Усик (вывод) в течение малого времени (< 1с) прижимается к контактной площадке с помощью клиновидной иглы. Усилие прижима выбирается таким, чтобы произошла пластическая деформация вывода на 40-60% от его диаметра. Прочность такого соединения достаточно высока - усилие требуемое для разрыва в месте соединения превышает прочность самого вывода. Аналогичным же образом этот усик соединяется с выводами корпуса. Такой способ называется термокомпрессия клином, при этом соединение выглядит следующим образом:

Достоинство термокомпрессии клином: простота изготовления инструмента.

Недостаток: операцию совмещения с контактной площадкой необходимо выполнять 2 раза:

1 раз над контактной площадкой необходимо разместить сам проводник, а 2 раз необходимо разместить инструмент (иглу).

Нередко при опускании инструмента вывод смещается или даже выскакивает из-под иглы и операцию приходится повторять сначала.

Чтобы устранить этот недостаток используется инструмент, который сам служит направляющей для этого проволочного вывода - он имеет тонкий канал капилляр.

Рис.: Капилляр для соединения внахлёст.

Рис.: Капилляр для соединения встык.

При присоединении встык перед каждым присоединением конец выходящего из капилляра проводничка оплавляется пламенем небольшой водородной горелки или электрическим разрядом, чтобы на конце этого проводничка образовался шарик. Диаметр шарика должен быть в 2, 3 раза больше диаметра проводничка. Когда инструмент начинает опускаться, проводничок проскальзывает вверх, пока шарик не упрётся в торец капилляра. Затем шарик подводиться к месту соединения и прижимается к нему. Образуется соединение по форме напоминающее шляпку гвоздя.

По способу нагрева места соединения различают термокомпрессию с непосредственным нагревом, с косвенным нагревом и комбинированным.

При непосредственном нагреве основание корпуса с закреплённым кристаллом ИМС помещается на столе с электропечью. Массивный металлический стол, имеющий большую теплоёмкость, обеспечивает стабильность температурного режима. Недостаток этого способа в том, что приходиться нагревать и основание корпуса и кристалл до температуры 300-400C в течение нескольких минут.

При косвенном нагреве тепло к месту соединения поступает только от инструмента, который постоянно нагревается небольшой электропечью. Поэтому нагревается только место соединения, а температура других участков не повышается - это большое достоинство.

Недостаток: худшая стабильность температурного режима и возможные нежелательные последствия термоудара.

Комбинированный нагрев - основание корпуса нагревается от стола с электропечью до температуры 150-250C, а место соединения нагревается дополнительно нагретым инструментом. Он сочетает в себе достоинства 2-х предыдущих способов: исключается перегрев всей ИМС и ослабляется термоудар места соединения.

Рабочий инструмент для термокомпрессии изготавливается из сапфира, окиси магния, бериллия, молибдена, твёрдых сплавов. В случае термокомпрессии алюминиевой проволочкой нельзя использовать инструмент из сапфира или окиси магния из-за слипания с алюминием.

Для создания термокомпрессионных соединений (проводничков) используется золото или алюминий, которые обладают высокой электропроводимостью, пластичны и образуют друг с другом низкотемпературные соединения. Диаметр проволочки - десятки мкм; толщина плёнки контактной площадки около 1мкм.

Основные параметры режима термокомпрессии:

1) температура соединения,

2) давление инструмента,

3) длительность выдержки соединения под давлением.

Для режима термокомпрессии золотых и алюминиевых проволочных выводов с золотыми и алюминиевыми контактными площадками на кремниевых пластинах со стеклянными или керамическими подложками, параметры следующие:

1) температура 300-400C,

2) давление 50-150 МПаскаль,

3) время 0,5-1сек.

Важную роль при термокомпрессии играет чистота соединяемых поверхностей. Поэтому перед термокомпрессией соединяемые элементы тщательно обезжиривают, а алюминиевую проволочку подвергают травлению в едком натре.

Дата добавления: 2014-01-07