Ультразвуковое оборудование для сварки микропроводников

Особенности процессов термозвуковой микросварки

При монтаже изделий электронной техники одним из наиболее распространенных способов электрического соединения между контактными площадками кристалла и выводами корпуса является соединение с помощью проволочных и ленточных выводов, что объясняется высокой автоматизацией процесса, универсальностью по отношению к различным технологическим вариантам производства и геометрическим размерам изделий [1]. Прогресс в развитии методов формирования межсоединений позволил существенно снизить трудоемкость этих операций и добиться заметных успехов на пути к их полной автоматизации. Однако трудоемкость операций формирования межсоединений остается определяющей в процессе производства изделий микроэлектроники и для разных типов приборов составляет от 30 до 60 % всей трудоемкости сборки. При этом на долю разрушения межсоединений приходится и значительный процент отказов изделий при эксплуатации.

Среди основных методов подсоединения микропроводников, таких как термокомпрессионная сварка (ТКС), ультразвуковая сварка (УЗС), термозвуковая сварка (ТЗС), сварка расщепленным электродом, сварка косвенным импульсным нагревом, наиболее широкое распространение получили методы ТКС и ТЗС с использованием золотой проволоки и УЗС для алюминиевой проволоки диаметром 20-75 мкм [2]. К достоинствам ТЗС для соединений типа «шарик — клин» и «клин — клин» следует отнести возможность получения соединения разнородных материалов. Все большую популярность получает ТЗС, при которой соединение формируется в результате совместного действия температуры, ультразвуковых (УЗ) колебаний и давления. Особенно эффективно применение этого способа для сварки золотой проволоки с алюминиевыми, золотыми и серебряными покрытиями контактных площадок кристаллов и корпусов.

Современные требования полупроводниковой технологии предполагают отход от метода монтажа кристаллов с применением высокотемпературных эвтектик Au-Si (377 °С) и широкое использование низкотемпературных клеев композиционных материалов. В связи с этим необходима разработка новых сварочных систем, включающих ультразвуковые преобразователи (УЗП) с повышенной частотой резонанса, цифровые ультразвуковые генераторы (УЗГ) с фазовой автоподстройкой частоты (PLL-система) и блоки формирования шарика (БФШ) для оплавления конца золотой проволоки в шарик с помощью искрового разряда между электродом разрядника и концом проволоки.

Термозвуковая сварка в связи с воздействием УЗ-колебаний характеризуется сложной схемой напряженно-деформированного состояния свариваемых материалов с одновременным протеканием в зоне сварки таких процессов, как трение, пластическая деформация, отдых, возврат, рекристаллизация и др. Все эти процессы взаимосвязаны между собой и определяют окончательные свойства сварных соединений. Процесс термозвуковой микросварки включает следующие этапы: формирование шарика, контактирование и предварительная деформация, УЗ и термическое воздействие. Процесс ТЗС способом «шарик — клин» начинается с формирования шарика, который образуется в результате расплавления проволоки искровым разрядом между электродом разрядника и концом проволоки (рис. 1).

Рис. 1. Исходное положение разрядника и проволоки перед образованием шарика

При подаче высоковольтного маломощного импульса напряжением порядка 4 кВ на электрод разрядника между проволокой и электродом возникает искровой разряд. Температура возникающей плазмы вокруг проволоки достигает температуры плавления золотой проволоки (~1063 °С) при токе разряда до 40 мА. При расплавлении конца проволоки силы поверхностного натяжения образуют шарик. Технически проще подавать на электрод положительный потенциал по отношению к проволоке (при этом она заземлена), поскольку катод при разряде всегда более «горячий». При таком способе ток разряда достигает в импульсе 10-15 мА, причем желательно, чтобы форма тока была спадающей, в противном случае возникает асимметрия образованных шариков относительно оси проволоки (эффект «golf-club») [3]. В основном в блоке формирования шарика (БФШ) при таком способе используется разряд предварительно заряженного конденсатора через ограничительную цепь (высокоомный резистор). Несмотря на относительную простоту «положительного» БФШ, к настоящему времени они практически вытеснены БФШ, которые формируют на выходе импульс отрицательной полярности.

При наблюдении формирования шарика с использованием положительной полярности в микроскоп можно увидеть, что сам шарик и проволока окружены плазмой толщиной около 50 мкм (рис. 2).

Рис. 2. Формирование шарика с использованием: а) положительной полярности на электроде; б) отрицательной полярности на электроде

От шарика плазма отстоит на удалении от конца капилляра 0,1-0,15 мм. Учитывая, что для образования шарика на проволоке диаметром 30 мкм нужна длина «хвоста» 0,2 мм [4], то при формировании шарика плазма может достигнуть торца капилляра, что сокращает срок службы капилляра от воздействия высокой температуры. Другой проблемой образования шарика при этой полярности является сильный отжиг перехода «шарик — проволока» и уменьшение толщины проволоки, что может привести к обрыву перемычки во время цикла формирования.

Величина предварительной деформации играет определяющую роль в процессе сварки. При слишком сильной начальной деформации (до ввода УЗ-колебаний) существенно изменяется кристаллическая структура металла подложки (контактной площадки кристалла) и самой проволоки, и, соответственно, ухудшается качество сварного соединения. Для определения момента контактирования инструмента с точкой сварки в установке микросварки используется контактный датчик с программируемым усилием контактирования. Предусмотрена также возможность использования сигнала касания от УЗГ по изменению импеданса УЗ-пре-образователя в момент контактирования инструмента с точкой сварки. Этот способ определения момента контактирования используется в автоматических установках типа ЭМ-4020М и ЭМ-4370. В автоматических установках ТЗС «шарик — клин» типа ЭМ-4260 и ЭМ-4360 для определения момента контактирования используется прецизионный индуктивный датчик перемещения, позволяющий определять момент контактирования с точностью до 1 мкм.

При подаче УЗ-колебаний на преобразователь рабочий инструмент начинает вибрировать вдоль проволоки. Образование сварного соединения определяется, с одной стороны, колебательной скоростью, прикладываемым усилием к инструменту и временем сварки. С другой стороны, механизм сварки определяется свойствами свариваемых материалов. Ввод энергии ультразвука в сопряженные на малом участке металлы вызывает повышение температуры в зоне их контакта, растрескивание твердых и выгорание жировых пленок, пластическое деформирование материала, интенсивную диффузию, рекристаллизацию и другие явления [5]. Таким образом, УЗ-колебания, прежде всего, создают условия для быстрого формирования физического контакта и разрушения оксидных пленок свариваемых поверхностей. Одновременно с этим происходит активация контактных поверхностей, приводящая к образованию очагов взаимодействия в условиях пластической деформации свариваемых материалов и наложения ультразвукового поля.

Технологические системы для присоединения микропроводников

В настоящее время установки зарубежного исполнения ведущих фирм, таких как K&S и Esec (США), ТРТ и F&K Delvotec (Германия) и др., используют в установках исключительно БФШ отрицательной полярности, то есть формирующие на выходе высоковольтный импульс отрицательной полярности. В процессе формирования шариков при такой полярности отсутствуют вышеописанные недостатки, поскольку плазменная оболочка окружает только нижнюю половину шарика, что позволяет исключить повреждение капилляра и минимизировать отжиг перехода «проволока — шарик». Обычно в БФШ отрицательной полярности используется источник тока разряда и таймер, корректирующий время разряда при изменении разрядного промежутка между концом проволоки и разрядником [6, 7]. Таким образом, преимущество БФШ отрицательной полярности — это возможность получения шарика малого размера (особенно на проволоках диаметром менее 20 мкм), исключение повреждения проволоки над шариком и уменьшения износа наконечника капилляра.

Разработанный блок формирования шарика БФШ-01 (рис. 3) формирует на выходе импульс отрицательной полярности (рис. 4).

Рис. 3. Блок формирования шарика БФШ-01

Рис. 4. Осциллограмма выходного напряжения (без нагрузки) БФШ-01

На осциллограмме видно, что импульс состоит из двух составляющих: короткого импульса с амплитудой 4,5 кВ и плоского участка амплитудой 1,2 кВ. Короткий импульс предназначен для пробоя (ионизации) разрядного промежутка между концом проволоки и электродом разрядника и ограничен током до 1 мА. Амплитуду пробойного импульса можно регулировать в зависимости от установленного зазора. После пробоя (ионизации) разрядного промежутка встроенный источник тока поддерживает разряд при оплавляющем токе амплитудой порядка 25-30 мА при напряжении 500-700 В.

Экспериментально установлено, что зависимость напряжения пробоя от зазора носит линейный характер, и при его величине 1,0 мм напряжение пробойного импульса должно быть не менее 3 кВ. С учетом разброса величины зазора устанавливают амплитуду пробойного импульса 4,2 кВ для зазора 1,0-1,2 мм.

Интерфейс управления БФШ-01 позволяет использовать блок как в установках с ручным управлением (ток разряда и размер шарика задается на передней панели блока), так и в автоматических — с заданием параметров по последовательному каналу.

Диаметр образуемых шариков пропорционален произведению:

где Ip — ток разряда, Up — напряжение в зазоре при разряде и t — время разряда. Для минимизации отжига перехода «проволока — шарик» устанавливают минимальное время при заданном токе. Для проволоки диаметром 30 мкм ток разряда обычно устанавливают в пределах 25-30 мА, а время — в пределах 2,5-3,5 мс. При установленном зазоре напряжение Up изменяется незначительно. Тем не менее, в БФШ-01 встроена электронная система компенсации колебаний установленного зазора.

Основой любой термозвуковой установки является ультразвуковая система: ультразвуковой генератор (УЗГ) и ультразвуковой преобразователь (УЗП), преобразующий подводимую электрическую энергию в энергию механических колебаний. Конструкция УЗП состоит из следующих составных частей (рис. 5): 1 — пьезокерамический вибратор, состоящий из 4 или 6 пьезоке-рамических колец, стянутых между собой шпилькой с металлическими накладками; 7 — цилиндрический держатель (стакан), закрепленный в узле волновода и предназначенный для крепежа УЗП в сварочной головке установки; 2 — волновод или акустический трансформатор. На конце волновода закреплен микроинструмент 4 с помощью клеммного или торцевого зажима. Сечение волновода обычно уменьшается к концу волновода, там, где крепится микроинструмент, чем достигается необходимый коэффициент усиления механических колебаний.

Рис. 5. Схема термозвуковой системы микросварки: 1 — УЗ-преобразователь, 2 — волновод, 3 — микропроводник, 4 — инструмент, 5 — нагреватель, 6 — кристалл, 7 — держатель

Повышение частоты УЗ-колебаний для сварки тонких проводников следует рассматривать как прием, разрешающий понизить величину амплитуды колебаний без изменения акустической мощности. Понижение амплитуды колебаний, в свою очередь, уменьшает знакопеременные напряжения в свариваемых материалах и опасность усталостного разрушения, вероятность которого особенно велика при сварке тонких проводников.

Следует предположить, что увеличение частоты колебаний позволит увеличить темп роста и значение температуры в зоне сварки и обеспечить процесс формирования соединений за меньшее время и при меньшей температуре нагрева изделия. Частота резонанса определялась на основе конструктивных размеров сварочных головок выпущенного оборудования для возможности его модернизации. Использование повышенной ультразвуковой частоты (94 кГц) по сравнению со стандартной частотой (66 кГц) позволяет вести присоединение проводников при температуре нагрева изделия 100…180 °С. При необходимости возможен дополнительный нагрев микроинструмента, если не допускается нагрев изделия ниже 100 °С. Полученные результаты коррелируют с исследованиями, проведенными в работах [8, 9].

Разработанная конструкция УЗП выполнена в классическом варианте с коэффициентом трансформации 2 и с частотой резонанса 94 кГц (рис. 6).

Рис. 6. УЗ-преобразователь с частотой резонанса 94 кГц

Очень важный момент при использовании УЗП — это корректная установка микроинструмента в зажиме: так называемый «вылет» инструмента для правильной установки инструмента. Ведущие производители прилагают к поставляемому оборудованию специальные инструменты (шаблоны) для правильной установки микроинструмента (рис. 7).

Рис. 7. Установка микроинструмента в УЗП с помощью шаблона

Для этого разработчики используют различные измерители (акустические микрофоны, лазерные интерферометры). Надо заметить, что «вылет» микроинструмента зависит от характеристик УЗП, резонансной частоты и материала, из которого изготовлен микроинструмент.

Для возбуждения УЗП на резонансной частоте разработан УЗГ-01 (рис. 8). УЗГ-01 обеспечивает автоматическую настройку на резонанс УЗП в заданном диапазоне частот. Диапазон перестраиваемой частоты — от 58 до 140 кГц. Результаты настройки отображаются на LCD-индикаторе. В УЗГ-01 обеспечена полная совместимость использования с ручным и автоматическим оборудованием.

Рис. 8. Ультразвуковой генератор УЗГ-01

Встроенная система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) поддерживает работу на резонансной частоте при всех режимах работы. Интерфейс управления УЗГ-01 имеет 8-бит параллельный порт задания амплитуды, канал RS-232 и канал управления двухточечной сварки (для ручных установок). Встроенная система обнаружения момента контактирования микроинструмента с точкой сварки позволяет использовать УЗГ-01 в различном оборудовании. УЗГ формирует на выходе три типа программируемых (по амплитуде и времени) профилей импульсов: стандартный, трапецеидальный и двухуровневый (рис. 9, 10).

Рис. 9. Профили выходного импульса УЗГ-01: а) стандартный; б) трапецеидальный

Рис. 10. Двухуровневые профили выходного импульса УЗГ-01: а) стандартный; б) трапецеидальный

Максимальная выходная мощность УЗГ-01 на нагрузке 25-30 Ом — порядка 4 Вт. Максимальная длительность выходного импульса составляет 255 мс. Все программируемые параметры УЗГ-01 сохраняются в памяти при выключении питания, что исключает необходимость ежедневного подбора режимов при сборке однотипных приборов.

Универсальные установки микросварки

Разработанные УЗ и термозвуковые технологические системы используются в универсальных полуавтоматических установках типа ЭМ-4320-1 (сварка «шарик — клин») и ЭМ-4320-2 (сварка «клин — клин») КБТМ-СО (рис. 11).

Рис. 11. Установка сварки ЭМ-4320

Установка сварки ЭМ-4320 предназначена для присоединения выводов широкой гаммы изделий электронной техники и может быть выполнена в следующих модификациях:

• ЭМ-4320-1 — для микровыводов из золотой проволоки диаметром 17-75 мкм методом термозвуковой сварки способом «шарик — клин»;
• ЭМ-4320-2 — для микровыводов из алюминия и золота диаметром 20-80 мкм методами УЗ или термозвуковой сварки способом «клин — клин»;
• ЭМ-4320-3 — для выводов из алюминиевой проволоки увеличенного диаметра от 80 до 500 мкм или ленточных перемычек размером до 25×200 мкм методом УЗ-сварки способом «клин — клин»;
• ЭМ-4320-4 — для выводов из золота (меди, платины, палладия и др.) методом контактной сварки с расщепленным электродом.

УЗ-система также успешно используется и в автоматическом оборудовании: на установках типа ЭМ-4480, ЭМ-4370 (сварка «клин — клин») и ЭМ-4260, ЭМ-4360 (сварка «шарик — клин»). Есть опыт использования установок ЭМ-4480 и ЭМ-4370 в процессе сборки СВЧ-транзисторов золотой проволокой [10], а также приборов силовой электроники с помощью ленточных перемычек [11].

Сегодня на мировом рынке имеется широкий выбор настольных полуавтоматических установок, в том числе ведущих мировых производителей, таких как Kulicke & Soffa Industries (K&S) — лидера в области производства оборудования для микросварки проволочных выводов (рис. 12), Orthodyne Electronics (рис. 13), ТРТ (рис. 14) и др.

Рис. 12. Установка термозвуковой сварки (модель 4524AD K&S)

Рис. 13. Установка ультразвуковой сварки (модель M20 Orthodyne Electronics)

Рис. 14. Установка термозвуковой сварки (модель HB16 фирмы TPT)

Установки серии 4500, в наименованиях которых присутствуют латинские литеры AD, оснащены цифровой системой управления, способной хранить до двух сотен программ сварки и осуществлять расширенное управление машинами вплоть до программирования серии стежков разного типа и размеров.

Основная область применения данных машин — мелкосерийное производство гибридных микросборок. Как правило, подобные изделия поступают на микросварку выводов уже после установки кристаллов в корпус, что часто требует выполнять сварку в глубоких полостях и колодцах. Для того чтобы обеспечить возможность сварки в таких местах, установки могут быть оснащены различными модификациями «глубокого» доступа с максимально допустимой глубиной 25,4 мм. Данные установки могут быть оснащены специальным инструментом для сварки плоской лентой, что особенно важно в силовой микроэлектронике, где существует необходимость в повышении значений максимально допустимого тока и предъявляются особые требования к жесткости соединения при одновременном сохранении прежних размеров корпуса.

Установки моделей HB16 ТРТ и 4500 серии K&S обладают высокой универсальностью: можно выполнять сварку методами «шарик — клин» и «клин — клин» в одной установке без смены сварочной головки и установки программного обеспечения. Соответствующая программа управления вызывается из памяти программ. Однако это возможно при разварке методом «клин — клин» при вертикальной подаче проволоки (под 90°). При стандартной подаче под углом 30/45° необходимо установить соответствующий механизм отрыва/подачи.

Установки серии ЭМ-4320 смогли занять свою нишу на рынке благодаря адаптации функциональных возможностей и введению дополнительных опций под конкретные изделия заказчика. Сюда входят рабочие столики, системы ТВ-изображения и модификации программного обеспечения. В установке ЭМ-4320 используются быстросменные сварочные головки, но для перехода на другой тип сварки необходимо на плате контроллера заменить микросхему управляющего контроллера (установлена на колодке).

При сварке «шарик — клин» взаимодействие свариваемых металлов происходит практически по всей поверхности контактирования. В случае сварки «клин — клин» взаимодействие свариваемых материалов происходит в основном по периметру сварной точки. Поэтому к выбору рабочего торца микроинструмента надо подходить с особой тщательностью. Обычно для лучшей центровки проволоки под торцом микроинструмента на рабочей поверхности инструмента делается центрирующая канавка, и поэтому деформация проволоки в таком месте меньше. При сварке оксиды и примеси скапливаются именно в этих местах, и взаимодействия материалов здесь не происходит. На рис. 15 показан фрагмент соединения с центрирующей канавкой алюминиевой проволокой диаметром 30 мкм.

Рис. 15. Сварные соединения методом «клин — клин» проводников круглого сечения с центрирующей канавкой

Сейчас на рынке представлены высококачественные микроинструменты компаний K&S и Gaiser Tools, обеспечивающие качественное присоединение как сваркой «шарик — клин», так и «клин — клин». Типичные сварные соединения сваркой «клин — клин» проводников круглого и плоского сечения показаны на рис. 16, а соединений типа «шарик — клин» — на рис. 17. Особенность установки ЭМ-4320 — это возможность приварки шариковых объемных выводов для последующего Flip-Chip монтажа или укрепления сварного соединения второй сварки методом «шарик — клин» (рис. 18).

Рис. 16. Сварные соединения методом «клин — клин» проводников круглого и плоского сечения

Рис. 17. Вид сварного соединения при ТЗС «шарик — клин»: а) первой сварки; б) второй сварки

Рис. 18. Фрагмент присоединения шарикового объемного вывода из золотой проволоки к точке второй сварки

Заключение

Разработаны универсальные полуавтоматические установки ультразвуковой и термозвуковой микросварки, которые позволяют производить качественные присоединения микропроводников золотой и алюминиевой проволоки в широком диапазоне температур нагрева изделий (100.250 °С), используемых диаметров проводников (20-75 мкм) и ленточных перемычек размером до 200 мкм.

Литература

1. Онегин Е. Е., Зенькович В. А., Битно Л. Г. Автоматическая сборка ИС. Минск: Высшая школа, 1990.
2. Шмаков М. Микросварка при производстве микросборок и гибридных интегральных микросхем // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 5.
3. Устройство образования шарика при микросварке / В. Головин, И. Петухов, В. Басенко, А. Рыдзевский // Патент РФ № 1446784 от 16.04.1987.
4. Головин В., Петухов И. Устройство образования шарика при микросварке // Патент РФ № 1580692 от 06.12.1988.
5. Harmann G. Wire bonding in microelectronics: materials, processes, reliability, and yield. N. Y.: McGraw-Hill, 1997. 2-nd edition.
6. Terakado Y., Sasakura K. Method and apparatus for forming a ball at a bonding wire end //US Patent № 5214259.
7. Головин В., Петухов И. Устройство образования шарика при микросварке // Патент РФ № 1580692.
8. Фарассат Ф., Валев С. Контроль процесса ультразвуковой сварки: решение проблем мгновенной оценки качества, документирования и статистического анализа // Электронные компоненты. 2004. № 11.
9. Ramsey T., Alfaro C. High-Frequency Enhancement for Ambient Temperature Ball bonding // Semiconductor International. 1997. № 8.
10. Сидоров В. , Минаев С. Многокристальная сборка мощных СВЧ-транзисторов // Электроника: наука, технология, бизнес. 2008. № 3.
11. Ланин В., Волкенштейн С., Петухов И., Хмыль А. Монтаж ленточными перемычками мощных полупроводниковых приборов // Компоненты и технологии. 2008. № 12.