Способ гиперзвуковой сварки микросварки и пайки Советский патент 1980 года по МПК B23K19/04 

1

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при конструировании высокопроизводительных и эффективных электроакустических устройств для микросварки и пайки, например при сборке полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Известен способ гиперзвуковой сварки и пайки путем наложения статического давления на соединяемые элементы 1.

Однако возбуждение волн Лэмба на подложке с условием соблюдения местоположения пучности стоячей волны в середине зоны сварки связано с определенными трудностями, так как для этого необходимо выполнение условия , где К - длина волны Лэмба в подложке, d - толщина подложки. Данное условие особенно трудно выполнимо при работе в диапазоне гиперзвуковых частот, где длина волны мала. Кроме того, резонансный способ возбуждения акустических волн для микросварки обладает существенным недостатком: процесс соединения элементов при микросварке приводит к нарушению резонансного режима. При этом изменяются параметры процесса микросварки, что ведет к снижению стабильности процесса и снижению качества микросварных соединений.

Цель изобретения - повышение качества и надежности микросварных соединений.

Поставленная цель достигается тем, что в зоне соединения коптактнруемых элементов возбуждают поверхностные акустические волны ультра- и гинерзвуковой частоты, длина которых не превышает суммарной толщины соединяемых элементов. Для повышения качества микросварных соединений в зоне соединения возбуладают различные сочетания акустических волн Рэлея, Лэмба, Лява, Сезава и Стонли или электроакустические волны Гуляева-Блюстейна.

15 На фиг. 1 показана схема, иллюстрирующая предлагаемый способ, с пьезоэлектрическим кристаллом; на фиг. 2 - то же, с СВЧ-резонатором. Схемы содержат вывод 1, подложку 2,

20 алюминиевую пленку 3, пьезоэлектрический кристалл 4, пленку 5 пьезоэлектрика, металлические электроды 6, генератор 7, СВЧ-резонатор 8, ферромагнитную пленку 9, волновод 10 и отверстие 11 связи.

25 Возбуждение поверхностных акустических волн гиперзвуковых частот в зоне присоединения вывода 1, наиример, к алюминиевой пленке 3 на подложке 2 нроисходит с помощью пьезоэлектрического эпитаксн30 ального преобразователя, представляющего

собой тонкий слой пьезоэлектрического кристаллического вещества с большим сопротивлением, образованный на проводящей подложке 2. Упптакснальным преобразователем может быть преобразователь в виде единого монокристалла проводящего сульфида кадмия с образованной на нем пленкой сульфида кадмия с большим сопротивлением. 1У1еталлические электроды b служат для подведения к преобразователю возбуждающего электрического напряжения с выхода генератора /. При подведении электрических колебаний гииерзвуковои частоты к преобразователю основная часть падения напряжения приходится на пленку b с высоким сопротивлением. Механическое напряжение, пропорциопальное напряженности электрического поля, будет максимальным внутри пленки 5. 1аким образом, пленка b будет возбуждать акустические волны. Выполняя ее достаточно тонкой (несколько микрон) и возбуждая на резонансной моде сдвиговых колебаний, получают в зоне соединения вывода i и подложки 2 поверхностные акустические волны гиперзвуковои частоты.

Рассмотренный преобразователь является достаточно широкополосным и используется при возоуждении поверхностных акустических волн шумового спектра частот.

Возможны следующие сочетания типов поверхностных акустических волн в соединяемых элементах.

Волны Рэлея, Лэмба и их сочетание в обоих соединяемых элементах или в одном из них. Данный случай возможен тогда, когда взаимное перекрытие элемептов соизмеримо с длиной волны. Волны Рэлея и JiSMOa будут распространяться также в той части соединяемых элементов, где данные элементы не перекрываются друг другом. iipH возоуждении воли Рэлея в элементе длина волны должиа быть много меньше толщины данного элемента, последний рассматривают при этом как полуоесконечиое твердое тело. При возбуждении волн Лэмба длина волны должна быть соизмерилмой с ТОЛЩИНОЙ элемента, в данном случае соединяемый элемент можно рассматривать как пластипку.

Сочетание волн Рэлея, Лэмба, Лява и Сезава в зоне соединения. Данный случай возможен тогда, когда толщина вывода соизмерима с длиной волн, а толщина подложки и взаимное перекрытие вывода с подложкой много больше длины волн. Соединяемые элементы при этом можно рассматривать как слоистую среду, в которой могут распространяться волны, подобные волнам 1ява, а также волнам Лэмба. Волны симметричного типа аналогичны в данном случае волнам Рэлея, а волны антисимметричного типа являются волнами Сезава,

Возбуждение волн Стонли в зоне соединения. Данный случай возможен тогда, когда толщины соединяемых элементов и ИХ взаимное перекрытие по зоне контакта

много больше длины волны.

Электроакустические волны ГуляеваБлюстейна в зоне соединения. Данный случай возможен тогда, когда материал хотя бы одного из соединяемых элементов, иапример подложки, является пьезоэлектрическим.

Преимущества поверхностных акустических волн гиперзвуковых частот заключаются в том, что они интенсивно иоглощаются материалом вывода и подложки, иоглощение гйперзвуковых поверхностных волн в металлическом, например алюминиевом, выводе происходит вследствие сильною рассеяния на границах кристаллитов. Иа

каждой границе кристаллита нроисходит отражение и преломление акустических волн, что обусловлено анизотропией материала. Кроме того, поверхностные волны гиперзвуковых частот сильпо поглощаются

тепловыми фопонами криста.члической решетки. Энергия поверхностных волн в данном случае расходуется на активацию тонкого поверхностного слоя соединяемых элементов и интенсифицирует процесс дйффузий без значительной внешней деформации соединяемых пзделйй.

Возбуждение поверхностных акустических волн гиперзвуковых частот возможно также с помощью других типов пьезоэлектрических преобразователей на высокоомных слоях, например с диффузионным или обедненным слоем. В шумовом спектре частот особенно эффективно использование электроакустического преобразователя на

диффузионном слое CdS с расширенной полосой частот. Высокоомный диффузионный слой данного преобразователя образуется путем напыления меди в вакууме па пластипку CdS, нагретую до нескольких сотен

градусов.

Можно использовать для возбуждения гиперзвуковых поверхностных волн также СЬЧ-резонаторы с помещенными в пучности их электрического или магнитного поля тонкими пьезоэлектрическими или магнитострикдйонными иленками. Возбуждение поверхностных акустических волн гиперзвуковых частот можно осуществлять с помощью прямоугольного СВЧ-резонатора 8, используемого совместно с топкопленочным ферромагнитным преобразователем. В данном случае ферромагнитная пленка 5, совершающая сдвиговые колебания и возбуждающая поверхностные акустические волны гиперзвуковой частоты в зоне соединения вывода 1 с подложкой 2, помещается на боковой стенке прямоугольного резонатора 8, т. е. в пучности магнитного ноля резонатора. Магнитное поле при этом ориентировано в плоскости пленки 9. Пленка 9 предварительно намагничивается сильным магнитным полем, обычно направленным нерпендикулярно ее плоскости. При возбуждении в резонаторе 8 с помощью волновода 10 через отверстие связи 11 СВЧ-поля колебания намагниченности возбуждают деформацию в ферромагнитной пленке и в соединяемых элементах распространяются новерхностные акустические волны.

В данном случае связь между электрическими параметрами СВЧ-резонатора и акустическими параметрами магнитострикциониого преобразователя определяется выражением

2а6

С.

} а2 h

где AS - длина поперечных волн в преобразователе;

Cs - скорость распространения поперечных волн в пленке;

С - скорость электромагнитных воЛн;

а, Ъ - соответственно длина и ширина СВЧ-резонатора.

Настройка резонатора производился изменением одного из размеров а или Ь.

Коэффициент полезного действия i данного электроакустического преобразователя определяется выражением

S-C,-Q

К

где К, - коэффициент магнитомеханической связи пленки;

5 - нлощадь пленки;

Q - добротность СВЧ-резонатора;

со - круговая частота;

V - часть объема резонатора, занимаемая пленкой.

Например, при микросварке выводов интегральной схемы с лепестками нерфорированной алюминиевой ленты толщиной 30 мкм с помощью волн Рэлея частотой 20 МГц качество микросварных соедннепий повыщается на 30-40%,воспроизводимость качества увеличивается в 1,5 раза.

При возбуждении волн Рэлея, Лява и Сезава частотой 100 МГц качество мнкросварных соединений новышается на 45- 50%, а воснронзводимость качества возрастает в 1,4 раза.

Использование акустических волн Стоили частотой 1 М.Гц позволяет повысить качество микросварных соеднненнй на 20-25%. Воснронзводнмость качества в этом случае

увеличивается в 1,2 раза.

Возбуждение электроакустических волн Гуляева-Блюстеппа производится при распространении в соединяемых элементах поверхностных акустических волн любого типа при условии, что материал хотя бы одного нз соединяемых элементов, нанример нодложки, является пьезоэлектриком. Исиользованне 1з качестве подложки арсеннда галлия повышает в среднем качество соедипенни в 1,2-2,0 раза.

Форм у л а н 3 о б р е т е н н я

1.Снособ гиперзвуковой мнкросваркн и пайки путем наложения статического давлення на соединяемые элементы, отличающийся тем, что, с целью иовышения качества и надежности микросварных соединений, в зоне соедииения контактируемых элементов возбуждают поверхностные акустические волны ультра- и гнперзвуковой частоты, длина которых не превышает суммарной толщины соеднняемых элементов.

2.Способ но п. 1, отличающийся тем, что в зоне соединения возбун дают различные сочетания акустических волн Рэлея, Лява, Лэмба, Сезава н Стонли.

3.Сиособ по п. 1, отличающийся тем, что в зоне соединений возбуждают

электроакустические волны Гуляева-Блюстейна.

Источники информации, принятые во вннманне при экспертизе

СССР

45 1. Авторское свидетельство № 502729, кл. В 23К 19/00, 1974.