Способ формирования проволочной перемычки Советский патент 1992 года по МПК B23K31/00 B23K101/40 

Изобретение относится к производству полупроводниковых приборов, в частности к способу формирования проволочных межсоединений (перемычек) контактных площадок корпуса и кристалла, преимущественно многоуровневых, многовыводных СБИС высокой топологической плотности на кристалле и может быть использовано в микроэлектронике при автоматической сборке таких полупроводниковых приборов.

Присоединение проволочных выводов к контактным площадкам может осуществляться различными методами сварки (термокомпрессионной ультразвуковой, термозвуковой и др.).

Известны способы монтажа, согласно которым первая сварка осуществляется шариком встык, а вторая - клином внахлестку, при этом последовательность операций следующая: заправить проволоку в инструмент (зажимные губки разжаты); выпустить избыток проволоки (хвостик) из капиллярного отверстия ниже рабочего торца инструмента и зажать проволоку губками- оплавить хвостик в шарик под рабочим торцом; поместить инструмент над точкой первой сварки; опустить инструмент и произвести первую сварку; разжать губки и поднять инструмент, перемещая его в положение над второй точкой сварки; опустить

VI

СО Л

со о

инструмент и произвести вторую сварку; поднять инструмент на высоту 1,5-2 мм и зажать проволоку губками; оборвать проволоку движением от второй точки сварки с образованием ниже рабочего торца инстру- мента нового подог нутого или прямого хвостика ; оплавить хвостик с образованием нового шарика для выполнения следующей перемычки (петли),

Описанные способы имеют широкое применение при монтаже золотой проволоки и высокопроизводительны.

Недостатки способов следующие: невозможность монтажа полупроводниковых приборов алюминиевой проволокой инстру- ментом с вертикальным центральным капиллярным отверстием из-за ряда трудностей при получении алюминиевого шарика на тонких проволоках диаметром 25-50 мкм; возможность закоротки пере- мычки на край кристалла в случае разварки перемычки (вывода) с корпуса на кристалл или с кристалла на кристалл при разварке гибридных интегральных схем (ГИС) из-за характерного пролегания перемычки у точ- ки второй сварки, т.е. на кристалле: затруднен ввод рабочего органа контролирующего устройства для прикладывания к перемычке контрольного тянущего усилия, что имеет место при приемке некоторых типов полу- проводниковых приборов ввиду недостаточной надежности визуального и других видов контроля.

Известен также способ присоединения алюминиевой проволоки, согласно которо- му первая и вторая сварки выполняются инструментом с наклонным капиллярным отверстием клином внахлестку, при этом последовательность операций следующая: заправить г.роволоку в инструмент (зажим- ные губки разжаты); выпустить избыток проволоки (хвостик) из капиллярного отверстия ниже рабочего торца инструмента и зажать проволоку губками; подогнуть хвостик под рабочий торец: поместить ин- струмент над точкой первой сварки; опустить инструмент и произвести первую сварку; разжать губки и приподнять инструмент, перемещая его в направлении капиллярного отверстия в положение над второй точкой сварки; опустить инструмент и произвести вторую сварку: зажать проволоку губками; оторвать проволоку движением от второй точки сварки: подать проволоку под рабочий торец губками для выполнения еле- дующей перемычки, причем для выполнения очередной перемычки производят соответствующий поворот сварочной головки или полупроводникового прибора, осуществляя также связанные с этим

необходимые перемещения по координатам X. Y, что обусловлено необходимостью совпадения направления очередной перемычки и направления выхода проволоки из капиллярного отверстия под рабочий торец инструмента при ее формировании,

Использование данного способа позволяет осуществлять проволочный монтаж полупроводниковых приборов преимущественно алюминиевой проволокой, т.е. значительно более дешевым материалом, чем золото, и, кроме того, менее чувствительным к жестким излучениям.

Недостатки указанного способа: низкая производительность (в 2-2,5 раза) по сравнению со способами монтажа оплавленным шариком с использованием инструмента, имеющего вертикальное центрально расположенное капиллярное отверстие; возможность закоротки перемычки на край кристалла при разварке ГИС и СБИС многоуровневых компоновок; затруднен ввод рабочего органа контролирующего устройства для прикладывания к перемычке контрольного тянущего усилия.

Известен способ, включающий следующую последовательность операций: заправить проволоку в инструмент центральный капилляр (зажимные губки разжаты); выпустить избыток проволоки (хвостовик) из капиллярного отверстия ниже рабочего торца инструмента и зажать проволоку губками: подогнуть хвостовик под рабочим торцом: поместить инструмент над точкой первой сварки; опустить инструмент и произвести первую сварку; разжать губки и приподнять инструмент, перемещая его и одновременно формируя петлю к второй точке сварки с перебегом за вторую точку сварки; опустить инструмент на вторую точку сварки с возвращением на величину перебега при прохождении последней четверти пути и произвести вторую сварку; произвести подформовку проволоки в направлении текущей (выполняемой перемычки); зажать проволоку губками; оборвать проволоку движением от второй точки сварки с образованием под рабочим торцом инструмента подформованного участка (подогнутого хвостика); ориентировать хвостик в направлении последующей перемычки.

Применение способа позволяет вести высокопроизводительный монтаж полупроводниковых приборов алюминиевой проволокой клином на тех же установках, на которых ведется монтаж золотой проволокой шариком.

Недостатки указанного способа; возможность электрического контакта закоротки между смежно расположенными перемычками при встречном пролегании петель так как непредсказуемо направление преобладающих напряжений заклиненной на выходе из круглого капиллярного отверстия проволоки, что приводит при сварке к выстреливанию петли в произвольном направлении, сравнительно малая прочность сварного соединения (малая площадь сварки алюминиевой проволоки) возможность закоротки на край кристалла при сборке ГИС и многоуровневых СБИС, затруднен ввод рабочего органа контролирующего устройства1 для прикладывания к перемычке контролируемого тянущего усилия, так как непредсказуемое пролегание петель сужает просвет и, кроме того, имеется характерный вид пролегания, присущий второй сварке, если используется инструмент с вертикальным центральным капиллярным отверстием.

Известен способ монтажа полупроводниковых приборов, заключающийся в следу- ющем: поочередное присоединение проволоки к контактным площадкам корпуса и кристалла; формирование петли межсоединения с фиксацией рабочим органом протягиваемой через инструмент проволоки в верхней точке перемычки приложение к перемычке контрольного тянущего усилия

Использование данного способа позволяет несколько повысить качество монтажа полупроводниковых приборов за счет использования результатов контроля перемычек тянущим усилием, однако универсальностью этот способ не обладает и в силу существующей устойчивой тенденции к повышению топологической плотности на кристаллах и, соответственно, повышению плотности монтажа в особенности при многоуровневых компоновках приборов (СБИС) его использование в этом случае исключено из-за загромождения рабочей зоны сварки имеющим собственные габариты рабочим органом, формирующим и контролирующим перемычку, а в зоне, примыкающей к рабочей, - габаритами дополнительного устройства с приводом этого рабочего органа

Наиболее близким к изобретению является способ монтажа полупроводниковых приборов, включающий следующую последовательность операций заправить проволоку в инструмент (зажимные губки разжаты); выпустить избыток проволоки (хвостовик) из капиллярного отверстия ниже рабочего торца инструмента и зажать проволоку губками; оплавить хвостик в шарик под рабочим торцом инструмента, поместить инструмент над точкой первой сварки, опустить инструмент и произвести первую

сварку конца проволочной перемычки к контактной площадке; разжать губки, чуть приподнять инструмент вертикально и чуть отвести назад относительно перемычки в горизонтальной плоскости, выполняя на проволоке два небольших изгиба; поднять инструмент вертикально на расстояние, превышающее длину перемычки, необходимое для присоединения окончательно сфор0 мировэнной петли перемычки; опустить инструмент, одновременно смещая в горизонтальной плоскости, к второй точке сварки а затем, изогнув проволоку у рабочего торца инструмента и оставляя за его преде5 лами участок, длина которого равна длине перемычки после окончательного присоединения, произвести завершающее перемещение инструмента в горизонтальной плоскости и вниз к второй точке сварки, что

0 обеспечивает заклинивание и натяжение проволоки после касания второй контактной площадки; дальнейшим перемещением инструмента вниз произвести присоединение (сварку) участка, находящегося под сва5 рочным инструментом к второй контактной площадке, зафиксировать проволоку в инструменте (губки сжаты) и оборвать проволоку при отходе (с подъемом) инструмента от второй точки сварки и с обеспечением из0 бытка проволоки (хвостика) ниже рабочего торца инструмента. В дальнейшем все операции повторяются, начиная с операции оплавления хвостика в шарик.

При известном способе при петлефор5 мировании используют изгиб с пластической деформацией, при котором у первой точки сварки образуется короткий участок, позволяющий снизить непредсказуемость направления выстреливания текущей вы0 полняемой петли в момент присоединения к второй контактной площадке.

Недостатки способа-прототипа: неуниверсальность, так как для его реализации можно использовать только инструмент с

5 вертикальным центральным капилляром, в связи с чем при использовании вместо шарика подогнутого хвостика (сварка алюминиевой проволокой) имело бы место ослабление сварного соединения или его

0 разрушение; возможность появления микротрещин в зоне первого из двух выполненных небольших изгибов у первой точки сварки, так как эта зона подвергается значительным знакопеременным изгибным де5 формациям (вначале во внешнюю сторону, а затем во внутреннюю сторону в направлении второй точки сварки); затруднен ввод рабочего органа контролирующего устройства для прикладывания к перемычке контрольного тянущего усилия; возможность

закоротки перемычки на край кристалла из- за характерного пролегания перемычки у точки второй сварки на кристалле при раз- варке ГИС.

Целью изобретения является повышение качества проволочных перемычек путем обеспечения их вертикального положения и повышения крутизны схода проволоки к месту второй сварки, в связи с чем возможно также повышение универсальности установок монтажа, реализующих способ, качества высокоплотного проволочного монтажа и выхода годных.

Поставленная цель достигается тем, что при способе формирования проволочной перемычки, включающем пропускание проволоки через капиллярное отверстие сварочного инструмента, установку инструмента в место первой сварки, выполнение первой сварки, подъем и перемещение сварочного инструмента в направлении второй сварки, изгиб проволоки с помощью деформирующего приспособления, дальнейшее перемещение инструмента к месту второй сварки и выполнение второй сварки, после подъема сварочного инструмента от места первой сварки к верхней точке своей траектории проволоку пластически деформируют, формируя на ней дополнительный изгиб, расположенный в вертикальной плоскости и примыкающий к рабочему торцу инструмента.

Формирование дополнительного изгиба перед опусканием на вторую точку сварки позволяет обеспечить достаточную крутизну схода петли на вторую сварку, что сводит на нет возможность закоротки на край кристалла при монтаже ГИС и многоуровневых СБИС, а также повышает удобство ввода рабочего органа для прикладывания к петле контрольного тянущего усилия. Повышается универсальность, так как появляется возможность использования инструментов с вертикальным и наклонными капиллярными отверстиями, получать межсоединения из золота и из алюминия. Исключаются закоротки встречно пролегших петель из-за непредсказуемости направления выстреливания выполняемой петли в момент присоединения к второй контактной площадке для различных инструментов, так как подформовка короткого участка, примыкающего к инструменту, идет с пластической деформацией проволоки, защемляемой в трех точках: первая точка сварки, точка натяжения и точка примыкания к рабочему торцу, а плоскость, проходящая через эти три точки, становится плоскостью получаемой петли, формообразование которой идет за счет плавного упругого изгибания основного участка при перемещении инструмента к второй точке сварки, при этом короткий участок выполняет функцию рычага.

На фиг.1-4 показана последовательность вспомогательных технологических операций - заправка проволоки и создание ее избытка под рабочим торцом на примере использования инструмента с вертикаль0 ным центральным капилляром; на фиг.5-7- то же, с наклонным капилляром (заправка сзади); на фиг.8-10 - то же. с наклонным капилляром (заправка спереди); на фиг.11- 16 - дальнейшая последовательность ос5 новных технологических операций - приварка конца межсоединения к первой точке сварки, петлеформирование, приварка второго конца межсоединения к второй точке сварки, контроль петли тянущим уси0 лием; на фиг.17 - разрез А-А на фиг.16; на фиг. 18 и 19 - схема осуществления способа с использованием для подформовки инструментов с наклонным и вертикальным капиллярами.

5Сущность способа заключается в следующем (рассматривается на примере с использованием инструмента с наклонным капиллярным отверстием для заправки спереди, что использование других.инструмен0 тов аналогично).

Первоначально после заправки в капиллярное отверстие инструмента 1 (фиг.1, 5 или 8) проволоки 2 обеспечивают образование под рабочим торцом инструмента 1 до5 статочного для образования сварного соединения количества материала проволоки 2 в виде подогнутого хвостика (фиг,4 или 7) либо сплавленного шарика (фиг.З), образованного электрическим разрядом (U)

0 либо пламенем горелки. Затем проволоку фиксируют в инструменте зажимными губками и устанавливают инструмент 1 в точку первой сварки над контактной площадкой корпуса 3 (фиг.11). Опускают инструмент и

5 производят первую сварку (фиг.12). Разжимают губки и, сообразуясь с направлением капиллярного отверстия, чтобы сохранить в нем свободное состояние проволоки, поднимают инструмент 1 на высоту L, большую

0 длины развертки петли данного межсоединения (фиг. 13) и перед перемещением инструмента 1 в точку к второй точке сварки - к контактной площадке кристалла 4 (фиг.14, или 19) натягивают проволоку усилием F,

5 формируя на ней дополнительный короткий участок (изгиб) длиной I, примыкающий непосредственно к рабочему торцу инструмента 1, расположенный под прямым углом к основному участку петли длиной L-I, тянущемуся от первой точки сварки без изгиба.

После начала пластической деформации при изгибе натяжение прекращают (в дальнейшем процессе переформирования будет сохраняться полученная от этой первоначальной деформации ориентация плоскости петли), затем инструмент опускают на контактную площадку кристалла 4 (фиг. 15) и производят вторую сварку После этого при отводе инструмента с подъемом от второй точки сварки проволоку зажимают губками и производят отрыв с образованием хвостика (фиг. 16„ положение I). Далее под сформированную петлю межсоединения подводят рабочий орган (крючок) инструмента 1 (фиг.16. положение II; фиг.17, положение в) и прикладывают контрольное тянущее усилие Р. при этом возможно увеличение высоты h петли на величину Ah за счет изменения ее формы. Анализ результатов контроля осуществляется внешним устройством. Затем крючок инструмента выводят из-под петли и устанавливают либо в исходное положение (если данное межсоединение было последним в развариваемом полупроводниковом приборе или если результат контроля отрицателен), либо в поло- жение над точкой первой сварки следующего межсоединения. В дальнейшем автоматически повторяют описанную последовательность операций до полной разварки полупроводникового прибора.

Прикладываемое тянущее усилие Р (фиг.16, положение II; фиг.17 положение в) может служить для контроля, для петлефор- мирования, для создания надежного электрического контакта между токопдово- дящими поверхностями инструмента и проволочного межсоединения при проведении активного электрического контроля каждого производственного межсоединения.

Способ предлагается использовать на автомате присоединения проволочных выводов ЭМ-4240 для монтажа многовыводных (до трехсот выводов) многоуровневых (до пяти уровней) СБИС в керамических корпусах в штырьковом и планарном выполнении внешних выводов с кристаллами высокой топологической плотности и различных типоразмеров. Универсальность способа позволяет использовать его на автомате при монтаже алюминиевой или золотой проволокой диаметром 25-30 мкм. применять для введения энергии в рабочую зону сварки термокомпрессию, ультразвук, термозвук, использовать инструменты с вертикальным центральным капилляром и с наклонным капилляром.

Сварочная головка автомата перемещением инструмента и петлеформирователя после завершения подъема инструмента от

первой точки сварки (к контактной площадке керамического корпуса СБИС) и перед его перемещением к второй точке сварки (к контактной площадке кристалла) образует 5 дополнительный короткий участок (изгиб) проволоки, примыкающий к торцу инструмента и обеспечивающий достаточную крутизну подхода проволоки к контактной площадке на кристалле, что позволяет повы0 сить удобство ввода миниатюрного крючка инструмента под петлю для прикладывания к ней контрольного тянущего усилия и исключить закоротки на край кристалла. Кроме того, следует отметить возможность и необ5 ходимость проведения лишь активного контроля (проверяет каждую петлю перед разваркой следующей) тянущим усилием по следующим причинам: финишный контроль многовыводных, многоуровневых приборов

0 невозможен из-за высокой плотности монтажа (фиг. 17, положения а, б, в), что обусловлено малым шагом между контактными площадками на кристалле (до 70 мкм); в зависимости от требований, предъявляемых

5 заказчиком к изготавливаемым полупроводниковым приборам (в данном случае многоуровневых, многовыводных СБИС), и анализа результатов активного контроля прочности каждой петли межсоединений

0 внешнее устройство управления автомата либо адаптивно изменяет режимы введения энергии в зону сварки, величины и динамику перемещений, либо останавливает процесс монтажа ввиду брака прибора.5Предлагаемый способ формирования

проволочных межсоединений позволит обеспечить вертикальное положение перемычек и повышенную крутизну схода проволоки к месту второй сварки, что, в свою

0 очередь, позволит повысить универсальность установок проволочного монтажа перемычек, качество высокоплотного монтажа и выхода годных за счет облегчения возможности 100%-ного контроля качества привар5 ки перемычек тянущим усилием.

Формула изобретения Способ формирования проволочной перемычки, включающий пропускание проволоки через капиллярное отверстие

0 сварочного инструмента, установку инструмента в место первой сварки, выполнение первой сварки, подъем и перемещение сварочного инструмента в направлении второй сварки, изгиб проволоки с помощью дефор5 мирующего приспособления, дальнейшее перемещение инструмента к месту второй сварки и выполнение второй сварки, отличающийся тем, что, с целью повышения качества перемычки за счет обеспечения ее вертикального положения и повышения крутизны схода проволоки к месту второй сварки, после подъема сварочного инструмента от места первой сварки к верхней точке своей траектории проволоку пластически

деформируют, формируя на ней дополнительный изгиб, расположенный в вертикальной плоскости примыкающий к рабочему торцу инструмента.

Использование: производство полупроводниковых приборов, в частности формирование проволочных межсоединений (перемычек) контактных площадок корпуса и кристалла преимущественно многоуровневых, многовыводных СБИС высокой топологической плотности на кристалле Сущность изобретения1 пропускают проволоку через капиллярное отверстие сварочного инструмента. Устанавливают инструмент в место первой сварки. Выполняют первую сварку. Поднимают и перемещают инструмент в направлении второй сварки. Пластически деформируют проволоку с помощью деформирующего приспособления в верхней точке траектории перемещения инструмента Обеспечивают расположение изгиба в вертикальной плоскости и примыкание к рабочему торцу инструмента. Перемещают к месту второй сварки и выполняют вторую сварку. 19 ил.

ГиВкц

Фиг. У

Фаг. 2

4

Фиг б

Риг.6

Фщ S

Фиг Э

JUu

т ас

Фиг. 5

Фиг.Ь

Y

Фи2

Фиг 10

Фиг. //

v;

Й/г. /4

йл./2

Фиг. &

/

#/. /5

У

Ч

гк

я

5 f

Фиг. 4

4-1 48

А-А

h

У

Фиг. 49