12.3. Ультразвуковая и термозвуковая микросварка

Ультразвуковая сварка (УЗС) — это метод соединения ме­таллов в твердом состоянии, отличающийся от других видов сварки способом введения энергии в зону сварки. Сближение свариваемых изделий и образование соединения происходит при пластической деформации материалов от совместного воздей­ствия усилия напряжения и тепловой энергии за счет процессов трения и воздействия на материалы УЗ полем частотой, как правило, 66±10 % кГц для микросварки. Этот метод признан

наиболее перспективным при выполнении технологических опе­раций сборки различных типов полупроводниковых приборов алюминиевой проволокой. К основным достоинствам метода УЗС следует отнести: возможность соединения широкой номен­клатуры материалов; получение соединений материалов с окис­ленными поверхностями.

При УЗ сварке в то время как проволока находится под нагрузкой, механическое перемещение, или вибрация инструмента вызывает скачок уплотнения на алюминиевой контактной пло­щадке (см. рис. 12.1).

Рис. 12.1. Схема УЗ сварки: 1 - проволока; 2 - сварочный инстру­мент; 3 - контактная площадка; 4 — кристалл

Распространение волнового фронта по проволоке обусловли­вает образование волнистой структуры посредством воздействия напряжения сдвига в алюминиевой контактной площадке пер­пендикулярно направлению вибраций. До начала (или во вре­мя) движения волнового фронта ультразвуковая энергия погло­щается проволокой, при этом последняя размягчается и под действием нагрузки течет, разрывая поверхностный оксид и ос­тавляя незащищенной свежую поверхность проволоки и кон­тактной площадки. Эта свежая незащищенная поверхность ме­талла быстро сваривается. Соединение образуется в тороидаль­ной области вокруг центра контактной площадки и проволоки внутри области волнистой структуры.

Поскольку проволока размягчается и деформируется, верти­кальное напряжение уменьшается во времени. В то же время вибрирующее воздействие инструмента для ультразвуковой свар­ки вызываем появление горизонтального напряжения. При боль­шой величине вертикального напряжения соединения произой­ти не может из-за больших касательных напряжений. При сред­нем вертикальном напряжении происходит соединение, и сва­риваемая область растет со временем, так как вертикальное на­пряжение уменьшается.

Взаимодействие золота с алюминием во время соединения золотой проволокой широко исследовано, особенно для процес­са термокомпрессионной сварки, где происходит значительный рост образования интерметаллических соединений. При сварке обычно обнаруживается пурпурная интерметаллическая фаза АuАl₂, называемая «пурпурной чумой». Ранее считали, что эта фаза является неустойчивой и может привести к хрупкому раз­рушению свариваемой проволоки. Хотя до сих пор существуют противоречивые мнения о скорости роста возможных интерме­таллических соединений и роли ускорителей этого роста (кро­ме температуры), полагают, что хрупкость соединения вызвана объединением вакансий в полостях, известных как полости Киркендала, вдоль линии сварки. Генерирование вакансий про­исходит за счет значительного повышения температуры в зоне контакта, а также из-за разной скорости диффузии алюминия в золото и наоборот.

Образование сварного соединения определяется, с одной сто­роны, колебательной скоростью, давлением сварочного нако­нечника и временем сварки. С другой стороны, механизм свар­ки определяется свойствами свариваемых металлов и состояни­ем поверхности. 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, диффу­зию, рекристаллизацию, плавление и другие явления.

Наиболее существенным условием свариваемости металлов в твердом состоянии является разница в диаметрах атомов сва­риваемых металлов, которая не должна превышать 15-18 %.

При различии диаметров от 19 до 44 % схватывания металлов не происходит. Предельная величина относительной разности диаметров совпадает с общим условием существования твердых растворов металлов, что дает возможность установить сваривае­мость из фазовой диаграммы для данной пары металлов. Ме­таллы свариваются в случае полной, а в отдельных случаях и ограниченной растворимости в твердом состоянии. Сварка воз­можна и при отсутствии растворимости, если удается подобрать третий растворяющийся металл, который наносится на один из свариваемых металлов. В общем случае ровные и чистые (тща­тельно обработанные) контактные поверхности свариваются луч­ше. И наоборот, грубая механическая обработка свариваемых поверхностей, наличие различных поверхностных пленок, пла­кирование, как правило, ухудшают свариваемость металлов, а в ряде случаев и исключает ее. Благоприятными условиями для схватывания является совпадение зерен с близкой кристалло-графической ориентацией.

Процесс УЗС в технологическом плане обусловлен парамет­рами режима сварки: мощностью колебательной системы, кон­тактным давлением, амплитудой колебаний сварочной, нако­нечника и временем сварки. Сварка сопровождается, увеличени­ем температуры в зоне сварки до 190 °С при усилии сжатия до 2-2,5 Н. Это подтверждает предположение о том, что источни­ком тепла при УЗС является трение между свариваемыми ме­таллами при их относительном перемещении.

Электрическая мощность, передаваемая от генератора к пре­образователю, определяет амплитуду механических колебаний инструмента и величину сдвиговых напряжений в зоне сварки, под действием которых преодолевается первичное схватывание, вызванное сжатием соединяемых элементов. При малых значе­ниях амплитуды колебаний сварное соединение не образуется, поскольку сдвиговых напряжений не хватает для разрушения оксидных пленок в зоне контакта, а при больших — в сваривае-мых элементах возникают усталостные процессы, приводящие к разрушению соединения. Оптимальные значения амплидуды ко­лебаний инструмента составляют 1,5-2 мкм, однако консоль таких колебаний технически затруднен.

При малых перемещениях инструмента и времени сварки передача УЗ колебаний в зону монтажа недостаточно эффектив­на, при больших значениях амплитуды колебаний снижается сила сцепления двух металлов вследствие эффекта скольжения. При большом времени сварки происходит разрыв проволочного проводника по «шейке» из-за его чрезмерной деформации. При исследовании зон схватывания под микроскопом установлено, что глубина объемного взаимодействия свариваемых металлов возрастает с увеличением времени микросварки до 0,8 с. Одна­ко при более длительном времени сварки наблюдается сниже­ние прочности соединения вследствие появления трещин в зоне микросварки.

Важной задачей в совершенствовании технологии УЗС яв­ляется изыскание параметров, позволяющих контролировать качество соединений в процессе сварки. Решение этого вопроса дало бы возможность одновременно с автоматизацией значи­тельно повысить воспроизводимость результатов сварки, а так­же оценить прочность соединений без их разрушения.

Выбор частоты ультразвуковых колебаний для микросварки основан на необходимости ограничения амплитуды колебаний, что уменьшает знакопеременные напряжения в соединяемых деталях и опасность разрушения соединений.

Основное влияние на механическую прочность сварных со­единений оказывают мощность колебательной системы, ампли­туда смещений инструмента, усилие сжатия и время сварки. Функцию контроля качества соединения можно осуществлять, контролируя амплитуду колебаний рабочего инструмента в про­цессе сварки, но такой метод контроля затруднен сложностью фиксации амплитуды при сварке, а также зависимостью ее от других параметров процесса. Влияние амплитуды на сварку не­обходимо рассматривать только с учетом мощности системы, а не ее конструктивного исполнения, когда за счет изменения ко­эффициента усиления концентратора можно изменить амплиту­ду смещений инструмента. Известно также, что между мощнос­тью и амплитудой колебаний инструмента имеет место линей­ная зависимость, поэтому некоторые исследователи отдают пред­почтение именно этому параметру. Амплитуда колебаний сва-

рочного инструмента должна быть такой, при которой могли бы возникнуть относительные перемещения в контакте между де­талями. Помимо мощности, она зависит в процессе сварки от усилия сжатия свариваемых изделий и времени сварки, кото­рые в свою очередь зависят от нее.

Особенностью амплитуды колебаний инструмента является ее зависимость от внешней нагрузки, которая изменяется как в течение цикла сварки, так и при переходе от сварки к сварке. Изменение внешней нагрузки выражается в изменении ампли­туды колебаний инструмента в процессе сварки. Из этого следу­ет, что изменение амплитуды колебаний в процессе сварки свя­зано с прочностью сварного соединения.

Одним из основных параметров, влияющих на поглощение акустической мощности в зоне соединения при УЗ микросварке, является входной механический импеданс соединения. Его из­менение в процессе микросварки приводит к рассогласованию с выходным импедансом ультразвуковой системы, что значи­тельно снижает качество контактов интегральных микросхем, поэтому важно определить зависимости входного механического импеданса соединений от режимов УЗС: длительности процесса и мощности подводимых колебаний, а также от режимов термо­обработки — температуры и времени отжига полученных кон­тактов. Прямо измерить механический импеданс микросварных соединений трудно, поэтому представляют практический инте­рес методы косвенного его определения по электрическим пара­метрам соединений: контактному сопротивлению и индуктив­ности области стягивания линий тока в контакте.

Время УЗ микросварки определяется скоростью процессов разрушения оксидных пленок на соединяемых элементах и объем­ного взаимодействия материалов в твердой фазе. Оптимальное время схватывания материалов составляет 0,2-0,3 с, увеличе­ние времени сварки лишь в течение 1,5 с приводит к изменению глубины зоны объемного взаимодействия за счет диффузионных процессов, однако столь длительное время воздействия ультра­звуковых колебаний может вызвать усталостное разрушение соединений. Предварительный подогрев свариваемых элементов до 190 °С уменьшает продолжительность воздействия ультра-

звука до 0,25 с и способствует образованию более прочных со­единений.

Статическая нагрузка на сварочный капилляр непосредствен­но влияет на усилие сжатия соединяемых элементов и опреде­ляет деформацию проволочного вывода, а в конечном итоге и стабильность сварного соединения. Для алюминиевой проволо­ки диаметром 35 мкм нагрузку на инструмент выбирают ориен­тировочно в диапазоне 2-4 Н. Важным технологическим фак­тором также является форма рабочей части инструмента. В связи с многообразием типоразмеров инструмента, предназна­ченного для выполнения различных технологических операций (пайки кристаллов, проволочного монтажа, групповой сварки), поиск места сопряжения инструмента с волноводом, чтобы не вызывать расстройки системы по частоте и ненужный вид коле­баний, представляет определенную сложность.

Качество соединений определяется в основном физико-хи­мическими свойствами поверхностей соединяемых материалов. Изменение микрорельефа поверхностей и структуры материа­лов, наличие оксидных и адсорбированных пленок приводит к дестабилизации процессов микросварки (что требует корректи­ровки технологических режимов), ухудшению качества и на­дежности сварных соединений, снижению производительности процесса.

Термозвуковая сварка (ТЗС) - этот способ сварки находит все возрастающее применение при сборке изделий микроэлект­роники. В ТЗС соединения формируются в результате совмест­ного действия температуры, энергии ультразвуковых колебаний сварочного инструмента и усилия нагружения инструмента. Дан­ный способ сварки как бы объединяет отдельные качества ТЗС и УЗС и даёт хорошие соединения при существенном смягчении режимов сварки, прежде всего температуры. ТЗС используется в первую очередь при автоматизированной сборке приборов, кри­тичных к температурам свыше 200-250 °С. К таким относят­ся быстродействующие приборы на арсениде галлия, заказные БИС и СБИС. Применим этот способ сварки и для сборки тол-стопленочных ГИС. Качественные, устойчивые к повышенным температурам (150 °С в течение до 3000 ч) и термоциклирова-