Способ термозвуковой микросварки многокристальных модулей Российский патент 2020 года по МПК B23K9/09 H01L21/02 H05K1/18 H05K3/10 

Изобретение относится к технологии термозвуковой микросварки, а именно к соединению термозвуковой микросваркой многокристальных модулей полупроводниковых микросхем.

Из уровня техники, в частности из (см. статья В. Ланин и др. «Ультразвуковое оборудование для сварки микропроводников» журнал «Компоненты и технологии» №8, 2009 г., стр. 124-128), известно применение термозвуковой микросварки для присоединения микропроводников. Наиболее распространенным типом такого соединения является соединение «шарик-клин» и «клин-клин».

Недостатком данного способа является низкая прочность соединения.

Из уровня техники также известен ряд способов, в которых применяются и усовершенствуются вышеуказанные приемы соединения. В способах, известных из (см. US 5967401, 19.10.1999; US 2004/0152292, 05.08.2004; US 2009/0008761, 08.01.2004; US 2010/0206940 A, 19.08.2010; US 2004/0104477, 03.06.2006), US 2010/0206940 A, 19.08.2010; US 2005/0072833, 07.04.2005, US 2004/0104477, 03.06.2006) прочность соединения достигается за счет изменения формы путем изгибания проволоки, которая образует при этом зону упрочнения, однако такие способы очень сложны; в способах, известных из (US 2005/0191839, 01.09.2005; US 2010/0314754, 16.12.2010), прочность соединения достигается путем укрепления его многократным соединением, что также приводит к усложнению способа и увеличению расходуемого материала.

Наиболее близким аналогом заявленного способа является технология термозвуковой микросварки методом «шарик-клин-шарик» (см. статью «Технология термозвуковой микросварки «шарик-клин-шарик» и контроль микросварных соединений», М. Шмаков и др., «Технологии в электронной промышленности», № 7 2007 г., Стр. 70-72), включающий следующие операции:

- подготовительную,

- включение установки,

- проверка параметров,

- заправка золотой проволоки,

- создание пробных перемычек,

- контроль на свариваемость,

- создание перемычек, в первой точке соединения которых при помощи специального инструмента образуют шарик, далее вытягивают перемычку и образуют во второй точке соединения клин, который дополнительно укрепляют шариком, и

- контроль качества сварных соединений.

Недостатком вышеуказанного наиболее близкого аналога является недостаточная прочность соединения на отрыв.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение плотности монтажа и увеличение прочности соединения.

Заявленный технический результат достигается созданием способа термозвуковой микросварки многокристальных модулей, включающего подготовку поверхности контактной площадки, включение установки и проверку параметров, контроль и заправку проволоки в установку, создание тестовых перемычек, контроль качества сварных соединений, при этом для создания перемычек образуют с помощью капиллярного инструмента шарик в первой точке соединения, далее обрывают проволоку с образованием клина, образуют шарик во второй токе соединения, вытягивают перемычку и обрывают проволоку с образованием клина в первой точке соединения.

Заявленное изобретение проиллюстрировано следующими чертежами:

фиг. 1 - процесс образования шарика а) форма исходного шарика до сварки; б) профиль деформированного шарика после присоединения; в) вид рабочего торца капилляра с проволокой на позиции присоединения.

фиг. 2 - капилярный инструмент;

фиг. 3 - сварное соединение, выполненное на мостах Ланге: а) вид сверху, б) вид сбоку соединения «шарик-клин», в) вид сбоку соединения.

На фиг. 1:

L - длина капилляра;

OD - внешний диаметр капилляра;

FA - угол торца капилляра;

OR - внешний радиус.

Способ термозвуковой микросварки многокристальных модулей начинается с формирования шарика, образующегося в результате расплавления проволоки искровым разрядом, получаемого импульсом отрицательной или положительной полярности. В первом случае плазменная оболочка окружает только нижнюю половину шарика, что позволяет исключить повреждение капилляра и минимизировать отжиг перехода «проволока - шарик», во втором импульс создает плазменную оболочку вокруг всего шарика, что приводит к более быстрому износу капилляра и ухудшает «переход» в зоне проволока-шарик. Температура плазмы, образующейся вокруг проволоки, достигает температуры плавления материала проволоки и при расплавлении ее конца силы поверхностного натяжения образуют шарик, форма которого является одним из параметров, влияющих на качество сварного соединения. Отсюда следует, что форма шарика зависит от выбранного оборудования и формы капилляра, который должен обладать высокой износоустойчивостью, иметь незначительные акустические потери, малую склонность к адгезии со свариваемым материалом, высокую прочность.

Для получения качественного сварного соединения необходимы стабильный диаметр и симметрия шарика, а при высокой плотности монтажа (с расстоянием между КП (контактными площадками) ≤60 мкм) для исключения касания торцом капилляра соседних соединений и перемычек, необходимо подбирать капилляры с утоненным наконечником. При подборе данного капилляра учитывается диаметр торца T, определяемый шагом между центрами КП (параметр FPP) и величина угла конуса, определяющая высоту перемычки, при которой капилляр не будет касаться соседней перемычки. Минимальный шаг FPP может быть вычислен по формуле (1):

где, Q - угол торца капилляра, h - высота перемычки, T - диаметр рабочего торца

Оптимальный диаметр шарика считается равным 2-2,5 диаметрам проволоки. При диаметре проволоки 25 мкм диаметр шарика будет составлять 50-62,5 мкм, что не подходит для КП размерами 60х60 мкм и менее, а уменьшение диаметра проволоки приведет к увеличению вероятности ее обрывов при монтаже и, как следствие, увеличению процента брака. В связи с этим, был рассчитан диаметр шарика, составляющий 2,0-2,3 диаметров проволоки, который будет обеспечивать необходимую прочность сварного соединения, и не будет превышать размеров КП.

Для капилляра, позволяющего получить требуемый диаметр шарика, можно воспользоваться следующим соотношением (2) [5]:

где H - диаметр отверстия капилляра (для свободного скольжения проволоки должен составлять 1,2-1,4 диаметра проволоки); WD - диаметр проволоки; CD - диаметр внутренней фаски и CA - угол внутренней фаски (определяют форму деформированного шарика, чем больше угол CA, тем больше диаметр деформированного шарика); MBD - диаметр деформированного шарика; MBH - высота деформированного шарика.

В качестве неисключительного примера можно привести, выбранный с учетом соотношения (2) тип капилляра 41ххх-А210-R34 с параметрами H = 36 мкм, CD=48 мкм, CA= 90° и подобранными параметрами шарика H =25 мкм, MBD = 55 мкм, MBH=25 мкм. При указанных параметрах получаем FAB = 53,22. Отношение полученного диаметра шарика к диаметру проволоки составляет 53,22/25 = 2,1, что попадает в рассчитанный диапазон. Из формулы (1), параметров капилляра Q = 20°, T = 127 мкм и h = 150мкм (регламентируется требованиями предъявляемым к изделиям космического приборостроения) получим минимальный шаг сварного соединения FPP=102,4 мкм, допустимый при использовании тир капилляра 41ххх-А210-R34, что позволяет производить сварку при расстоянии между КП не менее 42,4 мкм и позволяет решить поставленную задачу.

Тип капилляра так же обусловлен использованием автоматической установки термозвуковой микросварки Iconn, характеризующейся высокой точностью позиционирования инструмента ±2 мкм, что позволяет свести к минимуму вероятность выхода сварного соединения за пределы КП и повреждения кристалла, и высокой скоростью сварки, позволяющей обеспечить высокую производительность, повторяемость и стабильность процесса.

На основании проведенного анализа и подобранного по его результатам метода сварки, типа сварного соединения и типа капилляра, был разработан и внедрен в производство новый технологический процесс микросварки.

Для отработки технологии микросварного соединения использовались подложки из алюмооксидной керамики (ВК-100), кристаллы и металлокерамические корпуса с толщиной золотого покрытия КП не менее 3 мкм. Подбор режимов сварки производился для золотой проволоки диаметром 25 мкм.

Разработана следующая последовательность технологических операций:

1. Подготовка поверхности КП: очистка спиртом, очистка в плазме в течение 700…800 c в среде Ar(20%)/O₂(80%) (режим очистки в плазме подбирался с контролем чистоты КП по краевому углу смачивания).

Примечание: очистка в плазме производится только в допустимых случаях.

2. Включение установки и проверка параметров.

3. Контроль проволоки и заправка проволоки в установку.

4. Создание тестовых перемычек (операция проводится перед началом работы на 2-3 технологических образцах из каждой партии).

5. Контроль на свариваемость.

6. Создание перемычек (SSB Bump 1 - первый шарик, SSB Bond1 - второй шарик (первое соединение перемычки), Bond 2 - клин (второе соединение перемычки) развариваемый в SSB Bump 1).

7. Контроль качества сварных соединений.

Технологические параметры ТЗС подбирались экспериментально в следующей последовательности: подбор оптимальной силы тока для формирования необходимой формы шарика, минимального давления, при котором достигается схватывание материалов, длительность микросварки и амплитуда колебаний инструмента (мощность генератора) путем постепенного их увеличения до получения сварного соединения необходимой прочности. Подобранные параметры представлены в таблице 1. Подогрев рабочего столика выбран равный 150°С.

Таблица 1. Параметры микросварного соединения.

Свариваемые поверхности Параметры сварки SSB Bump 1 (одиночный шарик) SSB Bond1 (шарик) Bond 2 (клин) USG,
mA Time,
ms USG,
mA Time,
ms USG,
mA Time,
ms Мосты Ланге (Au) 95±5 42±5 95±5 42±5 9±2 5±2 Кристалл/корпус
(Al/Au) 95±5 40±5 60±5 15±5 9±2 5±2

По результатам отработки технологического процесса были получены сварные соединения необходимого качества и с высокой прочностью (не менее 13 гр.). Внешний вид полученных проводников представлен на фиг. 3.

Заявленное изобретение позволит увеличить прочность соединения на отрыв при сварке проволоки малого диаметра 25 мкм на контактной площадке малого размера 60×60 мкм с высокой плотностью монтажа и с обеспечением высокой точности позиционирования проволоки относительно центра контактной площадки.

Изобретение может быть использовано для соединения термозвуковой микросваркой многокристальных модулей полупроводниковых микросхем с высокой плотностью монтажа. Сварку осуществляют капиллярным электродом с проволокой, расплавляемой посредством подачи импульсов тока обратной полярности. Формируют шарик в первой точке соединения. Обрывают проволоку и образуют шарик во второй точке соединения и затем вытягивают перемычку до первой точки соединения. Сплющивают шарик первой точки соединения с образованием клина и обрывают проволоку. Используют капиллярный электрод с коническим наконечником, диаметр торца которого и угол конуса выбирают из условия получения высоты перемычки, исключающей касание электродом соседней перемычки. Подготовку поверхности контактной площадки осуществляют путем очистки спиртом и последующей очистки в плазме в течение 700-800 с в среде, содержащей 20% Ar и 80% O₂. Техническим результатом изобретения является повышение плотности монтажа и увеличение прочности соединения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ термозвуковой микросварки многокристальных модулей с высокой плотностью монтажа, включающий подготовку поверхности контактной площадки, осуществление сварки с использованием капиллярного электрода с проволокой, расплавляемой посредством подачи импульсов тока, при этом формируют шарик в первой и второй точках сварного соединения и получают перемычку между ними, отличающийся тем, что на упомянутый электрод подают импульсы тока обратной полярности, при этом формируют шарик в первой точке соединения, после чего обрывают проволоку и образуют шарик во второй точке соединения, затем вытягивают перемычку до первой точки соединения, сплющивают шарик первой точки соединения с образованием клина и обрывают проволоку, причем используют капиллярный электрод с коническим наконечником, диаметр торца которого и угол конуса выбирают из условия получения высоты перемычки, исключающей касание электродом соседней перемычки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подготовку поверхности контактной площадки осуществляют путем очистки спиртом и последующей очистки в плазме в течение 700-800 с в среде, содержащей 20% Ar и 80% O₂.