Файл: Минскер Ф.Е. Сборка полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

г

Рис. 42. Планарный диод с присоединенными вывода­ ми:

/ — кремниевая планарная структура, 2 — контактная пло­ щадка, 3 — внешние выводы

Рис. 43. Схема установки для присоединения выводов способом термокомпрессии:

/ — манипулятор, 2 — электромагнит, 3 — механизм давления, 4 — микроскоп, 5 — игла-пуаисон, 6 — нагревательный сто­ лик

Температура, °С

Рис. 44. Зависимость прочности соединения от темпе­ ратуры для диодных твердых схем, изготовленных по планарной технологии

риалов, а давленые должно быть таким, чтобы обеспечить де­ формацию металлического проводника до 50%• Температура эвтектики золото — кремний составляет 373° С.

Установление зависимостей прочности сварных соединений от температуры и давления на игле позволяет найти оптимальный режим процесса термокомпрессии. На рис. 44, 45 представлены зависимости прочности соединения от температуры и приложен­ ного давления. Зависимость прочности соединения от темпера­ туры устанавливается при постоянных температуре и времени сварки.

Как видно на рис. 44, в интервале температур 260—300° С происходит увеличение прочности соединения. При температуре

Рис. 45. Зашісимость прочности соединения от давления

320° С достигается максимальная прочность. При повышении тем­ пературы от 320 до 340°С увеличения прочности соединения не наблюдается. При дальнейшем увеличении температуры обра­ зуется жидкая фаза, которая приводит к изменению электриче­ ских параметров диодной структуры.

При установлении зависимости прочности соединения от дав­ ления температура процесса берется равной 320° С. Максималь­ ная прочность соединения (см. рис. 45) достигается при давле­ нии 7 кГ/мм2 и при увеличении давления до 10 кГ/мм2 остается постоянной. При дальнейшем увеличении давления прочность термокомпрессионного соединения резко падает. Снижение проч­ ности объясняется большой деформацией вывода и появлением трещин в кристалле полупроводника.

Время сварки определяется также опытным путем при по­ стоянном давлении и-температуре, исходя из получения макси­ мально прочного соединения.

Таким образом, оптимальный режим термокомпрессии при присоединении золотой проволоки 0 50 мкм к золоченой контакт­ ной площадке диодной структуры выглядит следующим образом:

62

температура — 320° С; давление на игле-пуансоне 7—10 кГ/мм2\ -время сварки — 3—5 сек.

Рекомендуемые режимы сварки для различных соединении

приведены в табл. 7.

Т а б л и ц а 7

Рекомендуемые режимы термокомпрессии для различных соединений

Разновидностью термокомпрессии является сварка с косвен­ ным импульсным нагревом У-образным электродом, предложен­

63

действием приложенного давления происходит осадка метал­ лического проводника и образование соединения.

Режим такого вида сварки характеризуется первичным на­ пряжением, длительностью импульса и приложенным давлением.

Величину первичного напряжения следует выбирать в диапа­ зоне 80—130 в, величину длительности импульса 0,1—1 сек, при­ ложенное давление в зависимости от диаметра и пластичности присоединяемой проволоки составляет 40—150 Г.

В табл. 8 приведены рекомендуемые режимы для присоеди­ нения металлических проводников к различным материалам.

Т а б л и ц а 8

Рекомендуемые режимы сварки косвенным импульсным нагревом

роваиный

Наиболее успешно сварку с косвенным нагревом применяют для присоединения золотой и алюминиевой проволоки к травер­ сам корпусов транзисторов и к корпусам гибридных микросхем, изготовленных из ковара, никеля, ситалла, покрытых золотом.

Основными достоинствами данного способа сварки являются: малая продолжительность процесса; отсутствие нагрева всего изделия при локальном кратковременном нагреве до 500—700° С; высокая производительность.

При сварке давлением с косвенным импульсным нагревом вы­ сокие требования предъявляют к рабочему инструменту. Инстру­ мент должен быть изготовлен из наиболее теплостойких сплавов,

64

жаропрочных сталей и твердых сплавов и отличаться высокой точностью, так как режим сварки (первичное напряжение, плот­ ность протекающего тока) определяется фактически сопротивле­ нием иеразрезной части иглы. Торцы рабочего инструмента имеют такую же форму, что и при термокомпрессии. Стойкость инструмента с плоским концом для присоединения проволоки 0 50 мкм, изготовленного из ниобиевых сплавов, составляет до 6000 сварок, а из твердых сплавов — более 40 000 сварок.

В настоящее время оборудование для термокомпрессии яв­ ляется наиболее широко применяемым для присоединения тонких металлических проводников к полупроводниковым кристаллам и к корпусам диодов, транзисторов и интегральных микросхем.

Установка термокомпрессии должна иметь следующие эле­ менты:

рабочий столик с нагревательной колонкой или без нее; механизм создания давления; рабочий инструмент;

механизм подачи и обрезки проволоки; манипуляторы для совмещения соединяемых деталей; систему наблюдения за технологическим процессом; блоки питания и управления.

Рабочий столик служит для крепления кристалла или корпу­ са прибора. Обычно рабочий столик является сменным, чтобы обеспечить возможность присоединения выводов к приборам различного типа. Нагревательный элемент, укрепленный в рабо­ чем столике, обеспечивает необходимый нагрев кристалла (при­ бора) до требуемой температуры. Пределы регулирования тем­ пературы 100—500° С.с точностью поддержания 7—10° С.

Механизм создания давления предназначен для получения необходимого усилия сжатия на свариваемые детали в достаточ­ но широких пределах. Диапазон регулирования усилия сжатия 20—200 Г. Такой широкий диапазон необходим для того, чтобы была возможность присоединять металлические проводники как непосредственно к полупроводниковым кристаллам (в этом слу­ чае давление меньше), так и к корпусам полупроводниковых приборов. Управление механизмом давления может осущест­ вляться рукой, ножной педалью, электродвигателем.

Рабочий инструмент, как уже отмечалось, во многом опреде­ ляет качество сварного соединения.

Особые требования предъявляются к материалу и форме ра­ бочего инструмента термокомпрессии.

. Материал рабочего инструмента должен обладать низкой теплопроводностью (в случае непрерывного нагрева, наоборот,— высокой теплопроводностью), высокой прочностью при периоди­ ческом нагреве и охлаждении и изменении рабочих усилий; высокой износостойкостью при температурах до 500° С, малой способностью к схватыванию со свариваемыми деталями.

В качестве материала инструмента следует применять стекло «Пирекс», рубин, сапфир, твердые сплавы ВК-6, ВК-15.