8.3 Виды выводов.

Создание между контактными площадками кристаллов и корпусов с помощью электродных выводов надежного при различных условиях эксплуатации электрического контакта яв­ляется важным технологическим процессом производства полупроводниковых приборов и ИМС. Присоединение тонких алюминиевых или золотых проволочек — электродных выво­дов — до настоящего времени остается малопроизводительной, трудоемкой и низконадежной операцией, которую выполняют на специальных установках с визуальным наблюдением и ручным ориентированием инструмента, проволоки и мест присоединения, и отдельных случаях стоимость присоединении электродных выводов составляет до 50 % стоимости ИМС. Половина все: отказов ИМС происходит из-за нарушения электрической контакта.

Методы присоединения электродных выводов можно раз делить на проволочные и беспроволочные. К проволочным -наиболее распространенным методам — относятся термокомпрессионная (термокомпрессия), ультразвуковая и микроконтактная сварка, а также пайка, которые будут подробно рас смотрены в следующих параграфах. Ознакомимся с беспроволочными методами, имеющими незначительное применение но являющимися перспективными. К беспроволочным мето дам (отсутствие проволочных электродных выводов) относят монтаж перевернутого кристалла (флип-чип) и кристалл с балочными выводами.

При монтаже перевернутого кристалл (Рисунок 8.3.1, а) вместо проволочных выводов используют выступ*

Рисунок 8.3.1. Монтаж перевернутого кристалла: а — с выступами, б - с шариками; 1 - кристалл, 2 - выс­тупы, 3 - плата, 4 - алюминиевая металлизация, 5 - плен­ка диоксида кремния, б - слои хрома, 7, 10 - припой, 8 - медный шарик, 9 - слой никеля

(столбики) 2 высотой в десятые доли миллиметра, расположен ные в определенных местах полупроводникового кристалла 1 Естественно, что все необходимые соединения на кристалл электрически связывают с выступами. Кристалл переворачиваю выступами вниз, опускают на плату 3 с точно расположенным участками металлизации 4, прикладывают давление и подводя теплоту для образования соединения выступов с платой.

Выступы на кристаллах могут быть изготовлены из низке температурного (мягкого) припоя, а также гальваническим осаждением алюминия или золота. В тех случаях, когда выступы получают гальваническим осаждением, кристаллы присоеди­няют термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой.

Монтаж перевернутого кристалла имеет несколько разно­видностей. Например, в качестве выступов используют медные шарики (Рисунок 8.3.1,6). Для этого в кремниевом кристалле 1, имеющем контактные площадки, покрытые пленкой 5 диоксида кремния, изготовляют окна, в которые осаждают три слоя 6 (хрома, хрома с медью и хрома с оловом). Затем на них нано­сят оловянистый припой 7 и укладывают медный никелирован­ный шарик 8, который закрепляют оплавлением мягкого при­поя 10. При совмещении такого выступа с предварительно облуженной контактной площадкой платы 3 и последующем нагреве с приложением давления к кристаллу происходит пайка, обес­печивающая надежное соединение.

Кроме того, применяют монтаж кристаллов, при котором выступы из мягкого припоя имеют контролируемую осадку (Рисунок 8.3.2, а-д). В пленке 2 диоксида кремния изготовляют окна, в которые гальванически на слой металлизации 3 осаждают при­пой 1 (Рисунок 8.3.2, а). При нагревании кристалла 4 припой прини­мает форму сферического выступа 5 (Рисунок 8.3.2,6).

Затем кристалл переворачивают выступом вниз (Рисунок 8.3.2, в), совмещают с платой 7 и нагревают. Выступ расплавляется и взаимодействует с предварительно нанесенным на плату припоем 6 (рис 8.3.2, г.) образуя столбик 8 припоя (Рисунок 8.3.2, д).

Рисунок 8.3.2. Монтаж кристалла с контролируемой осадкой выступов:

а, б - нанесение гальваническим способом припоя и оплавление его, в - переворачивание кристалла, г - на­несение припоя на плату, д - монтаж кристалла на пла­ту; 1,5- припой, нанесенный на кристалл и оплавлен­ный, 2 - пленка диоксида кремния, 3 - слой металли­зации, 4 — кристалл, 6 - припой, нанесенный на плату, 7 - плата, 8 - столбик припоя

Силы поверхностного натяжения расплавленного припои устанавливают кристалл точно на свое место. Так как остальные поверхности кристалла и платы закрыты пленкой 2 диоксиде кремния, не смачиваемой припоем, кристалл припаивается т некотором расстоянии от платы, что исключает закорачивание выступов.

Достоинством монтажа перевернутого кристалла является то, что все соединения выполняются одновременно. Это повышает также ю надежность. Кроме того, использование при монтаже мягкого припое облегчает демонтаж бракованных кристаллов. Пластичность мягкой припоя частично компенсирует температурные напряжения в соединении

Однако этот метод монтажа довольно дорог, так как сложны операции подготовки кристаллов и плат, не обеспечивает хороший теплоотвод от кристаллов и- возможны локальные перегревы вследствие некоторой разницы температур в процессе монтажа. При нарушении технологического процесса сборки могут образовываться короткие замыкания между кристаллами и платами;

При монтаже кристаллов с балочным! выводами, выходящими за их габарит (Рисунок 8.3.3,а), гребенчатое расположение выводов экономит площадь полупроводниковых подложек. Кристалл 2 с балочными выводами 1 обычно присоединяют к слою металлизации 3 на плате 4 термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой. Балочные выводы полу­чают на подложках, еще не разрезанных на кристаллы (по груп­повой технологии). Для этого на поверхности подложек со структурами создают в пленке диоксида кремния окна, в кото­рые наносят золото, образующее балочные выводы, а затем трав­лением разделяют подложки на отдельные кристаллы.

Разновидностями монтажа кристаллов с балочными выво­дами являются паучковое соединение и соединение, получаемое напылением балочных выводов.

Паучковое соединение (Рисунок 8.3.3, б) целесообразно приме­нять, когда выводов более десяти. Балки в виде паучка 5 выру­бают из ленты алюминиевой фольги, накладывают на подложку 6 и присоединяют, например термокомпрессией, к контактным площадкам. Затем разделяют паучок на отдельные выводы и монтируют ИМС в перевернутом виде в аппаратуре.

Рисунок 8.3.3. Монтаж кристаллов с балочными выводами: а - конструкция кристалла, б - паучковое соединение, в, г -балочные выводы, изготовленные напылением на столбиках и на плате; 1 - балочные выводы, 2 - кристалл, 3 - слой метал­лизации, 4 - плата, 5 - паучок, 6 -г подложка, 7 - пластмассо­вая пленка, 8 - столбик, 9 — металлическое основание

При соединении, получаемом напылением балочных выво­дов (Рисунок 8.3.3, в)., после выполнения всей пленочной разводки на нужных местах плат создают столбики 8, монтируют между ни­ми кристаллы 2, которые накрывают сверху пленкой термо­пластичного материала (например, фторированным этилен-пропиленом) 7 и получают фотолитографией в пластмассе окна, оставляя незащищенными столбики и лицевые поверхности кристаллов. Затем вакуумным напылением в окна наносят зо­лотую металлизацию (балочные выводы Г), соединяющую кристаллы со столбиками.

Балочные выводы можно получать также на плате (Рисунок 8.3.3, г). Для этого предварительно напылением и фотолитографией создают на плате 4 пленочные балочные выводы, а также отвер­стия, в которые помещают кристаллы 2, присоединяя их ниж­нюю сторону к металлическому основанию 9 (это способствует улучшению теплоотвода), а верхнюю соединяют термокомпрес­сией с балочными выводами.

Достоинствами монтажа кристаллов с балочными выводами являют­ся улучшение условий теплоотвода, отсутствие разрушений кристаллов, так как давление прикладывается к балочному выводу; а также возмож­ность визуального контроля.

В то же время такой монтаж в 2 раза дороже монтажа пере­вернутых кристаллов, так как требуется дополнительная метал­лизация и не допустимы даже незначительные отклонения плат от плоскостности. Кроме того, балочные выводы легко изги­баются (их сечение обычно равно 13x76 мкм), но иногда ло­маются.

Необходимо отметить, что беспроволочные соединения целесообразно применять в массовом производстве при выпуске полупроводниковых приборов и ИМС не менее нескольких миллионов.