8.4 Термокомпрессионная, ультразвуковая и термозвуковая сварки

Термокомпрессия — это процесс соединения двух материалов, нахо­дящихся в твердом состоянии, при воздействии на них теплоты и давле­ния. Температура нагрева соединяемых термокомпрессией материалов не должна превышать температуру образования их эвтектики, и один из материалов должен быть пластинным.

Получение прочного соединения термокомпрессиоиной свар­кой можно объяснись следующим образом. Как известно, иде­альных поверхностей не существует. В микроскоп при сильном увеличении можно увидеть, что на поверхностях контактной площадки полупроводникового кристалла и электродной про­волоки (вывода) имеется множество микровыступов и микро­впадин. Если приложить давление к электродному выводу, изготовленному из пластичного материала, и нагревать, напри­мер, полупроводниковый кристалл, произойдет пластическая деформация микровыступов электродного вывода, а также час-, тачная деформация микровыступов полупроводника и взаимное затекание соединяемых материалов в микровпадины, т.е. термокомпресоионная сварка.

При термокомпрессионной сварке образуется хорошая ад­гезия между полупроводниковым кристаллом и электродным (Выводом и создается надежный электрический контакт. Следует отметить, что чем пластичнее материал электродных выводов/, тем большим коэффициентом адгезии он обладает. Так, золото и алюминий по сравнению с другими материалами, используе­мыми для электродных выводов (медь, серебро), имеют наи­больший коэффициент адгезии, соответственно равный 1,84 и 1,80.

В производстве полупроводниковых приборов и ИМС тер­мокомпрессией соединяют следующие пары материалов: золо­то — кремний, золото — германий, золото — алюминий, золото — золото, алюминий — алюминий, золото — серебро и алюминий — серебро.

Присоединение электродных выводов термокомпрессией может быть выполнено в виде одной или нескольких плоских точек, шарика, а также встык (шариком) и внахлест. Рассмат­ривая присоединение электродных выводов термокомирес-сией, обычно имеют в виду, что сварка выполняется, как пра­вило, в двух местах: один конец вывода приваривают к кон­тактной площадке кристалла (первая сварка), а второй - к выводу корпуса (вторая сварка). В зависимости от принятого тех­нологического процесса присоединения выводов (в это понятие входит также оборудование, конструкция инструмента) термо­компрессию разделяют на шариковую, клином и сшиванием.

Шариковая термокомпрессия (Рисунок 8.4.1,а) ка­ких-либо особых пояснений не требует. Следует только отме­тить, что шарик 5 на конце проволочного вывода может быть получен оплавлением электродной проволоки 1 в пламени во­дородной горелки 4 или прикосновением к электрическому разряднику.

При оплавлении в водородном пламени получают два шари­ка или один. При получении двух шариков один остается свобод­ным на конце уже присоединенного вывода, а другой находится в капилляре 3 (инструменте) и предназначен для приварки оче­редного электродного вывода к кристаллу 7 и контактной пло­щадке 8. Один шарик в водородном пламени получают в том случае, когда горелку используют только для оплавления конца проволоки в шарик, выходящий из капилляра, а не для отделе­ния присоединенного электродного вывода от проволоки при второй сварке.

С помощью разрядника и на конце проволоки образуется только один шарик, которым электродный вывод присоединя­ют к контактной площадке кристалла. Второй конец электрод­ного вывода в этом случае приваривают к корпусу 9 внахлест.

Термокомпрессия клином (Рисунок 8.4.1, б) довольно сложна для выполнения. Сначала необходимо совместить кон­тактную площадку 8 кристалла 7 с инструментом - клином 11 и электродную проволоку 1 (вывод) с его концом. Затем, после сварки, вытянув проволоку из сопла 12, надо проделать те же манипуляции для присоединения второго конца проволоки 1 к корпусу 9. Далее отделяют электродный вывод от остальной части проволоки обрывом, ножницами, перерезанием иглой о край вывода корпуса или обрезкой специальным устройством.

Обрезка специальным устройством считается наилучшим способом, так как конец проволоки не сплющивается (сплю­щенный конец непригоден для следующей приварки) и не оста­ется длинных отрезков, которые не только увеличивают расход проволоки (обычно золотой), но и могут быть причиной обра­зования коротких замыканий.

При термокомпрессии сшиванием (Рисунок8.4.1, в) инструмент представляет собой капилляр 3 с вертикальным осевым отверстием. Иногда этот вид термокомпрессии называют петлевым. Процесс создания проволочных перемычек между кристаллом 7 и корпусом 9 в этом случае во многом напоми­нает обычное шитье. Только при шитье нитка проходит через боковое отверстие иголки, а при термокомпрессии сшиванием — через вертикальное осевое отверстие инструмента. 1

После приварки конца электродной проволоки 1 к кристал­лу 7 ее вытягивают через капилляр 3, который совмещают с контактной площадкой 8 и выполняют вторую сварку. Затем проволоку обрезают ножницами 13, загибая свободный конец под инструмент.

Термокомпрессию инструментом ввиде "птичьего к л ю в а" (Рисунок 8.4.1, г) относят к термокомпрес­сии сшиванием. Инструмент — "птичий клюв" 14 — состоит из двух частей, между которыми пропускают электродную прово­локу 1. После выполнения обеих сварок проволоку обрывают, перемещая инструмент в сторону от места сварки. Этот ин­струмент сложен в изготовлении и эксплуатации, поэтому имеет ограниченное применение в производстве. В то же время он обеспечивает высокую прочность соединения, так как на элект­родном выводе образуется его отпечаток 10 с ребром жесткости.

Необходимо отметить, что каждый способ термокомпрессии харак­теризуется своим отпечатком инструмента на электродном выводе.

Наиболее производительной считается шариковая термоком­прессия, но ее применяют только при сборке полупроводнико­вых приборов с большими контактными площадками, исполь­зуя электродную проволоку диаметром более 20 мкм. При тер­мокомпрессировании золотой электродной проволоки к крем­ниевому кристаллу температура нагрева составляет 350-380 °С, давление 60-100 МН/м², а время выдержки 2-20 с. При соеди­нении золотой проволоки со слоем золота, напыленным на плен­ку диоксида кремния, температура нагрева должна быть 250-370 °С, давление 60-100 МН/м², а время 0,5-2 с.

Основным достоинством термокомпрессионной сварки является воз­можность соединения без флюса и припоев мeталлов в твердом состоянии при сравнительно низких температурах и малой их деформации (10— 30 %) как на воздухе, так и в атмосфере формиргаза или сухого водо­рода. Кроме того, термокомпрессия обладает сравнительно высокой технологичностью, заключающейся в простоте подбора режимов и из­готовления оборудования, а также возможности контроля качества сварки.

Недостатки термокомпрессии — ограниченное число пар свариваемых металлов, высокие требования к качеству соеди­няемых поверхностей, сравнительно низкая производительность труда (обычно сварку выполняют под микроскопом).

Для присоединения электродных выводов термокомпрес­сией используют специальные установки, отличающиеся внешним оформлением и некоторыми особенностями конструкции, в основу которых заложены три технологических признака: способ нагрева, конструкция инструмента и вид термокомпрес­сионной сварки. В различных установках термокомпрессии мо­гут нагреваться столик (Рисунок 8.4.2, а), инструмент (Рисунок 8.4.2, б) или одновременно инструмент и столик (Рисунок 8.4.2, в).

Рисунок 8.4.1. Термоком­прессионная сварка шариком (а), кли­ном (б), сшиванием (в), "птичьим клю­вом" (г):

1 - электродная про­волока, 2 - зажим­ное устройство, 3 - капилляр, 4 -водородная горел­ка, 5 - шарик, 6 -электродный вывод, 7,8- контактные площадки кристалла и корпуса (платы), 9 - корпус (плата), 10 - форма отпечат­ка инструмента, 11 - клин, 12 - сопло, 13 - ножницы, 14 -"птичий клюв"

Рисунок 8.4.2. Разновидности термокомпресоионной сварки в зависимости от способа нагрева столика (д), инструмента (б, г), столика и инструмен­та (в):

1 — инструмент, 2 - электродная проволока, 3 - кристалл, 4 - корпус (плата), 5 - столик, б - нагреватель

Разновидностью термокомпрессии является сварка косвен­ным импульсным нагревом (СКИН) инструмента из жаропроч­ного материала, служащего проводником электрического тока (Рисунок 8.4.2, г). При импульсном пропускании электрического то­ка происходит кратковременный перегрев инструмента, в результате чего им можно сваривать электродные выводы из малопластичных металлов (меди, серебряного сплава) с тон­кими металлическими пленками, нанесенными на керамику или полупроводник.

Ультразвуковая сварка — это процесс соединения двух материалов, находящихся в твердом состоянии, при незначительном нагреве с прило­жением определенного давления и колебаний ультразвуковой частоты.

При ультразвуковой сварке температура нагрева в зоне контакта не превышает 50-60 % от температуры плавления сое­диняемых материалов. Контактное давление, подбираемое опыт­ным путем, зависит от механических свойств свариваемых материалов и размеров изготовленных из них деталей. Обычно де­формация деталей, соединяемых ультразвуковой сваркой, не превышает 5—20 % их первоначальных размеров.

Ультразвуковую сварку выполняют в интервале частот от 18 до 250 кГц. Ультразвуковые колебания, воздействуя на сое­динение, нагревают его, освобождают от загрязнений и оксидов поверхности в зоне контакта, ускоряют пластическую деформа­цию электродных выводов. В результате происходит сближение физически чистых поверхностей на расстояние действия меж­атомных сил, взаимная диффузия и прочное соединение двух материалов.

При ультразвуковой сварке не используют флюсы и припои, что яв­ляется ее основным достоинством. Кроме того, этим способом можно соединять разнородные, разнотолщинныс и трудносвариваемые мате­риалы.

Так, с помощью ультразвука хорошо свариваются электрод­ные выводы из золота и алюминия с золотым покрытием, нане­сенным на ситалл по подслою нихрома; алюминиевые электрод­ные выводы с алюминиевой пленкой, нанесенной на стекло, кремний или диоксид кремния; золотые, алюминиевые и мед­ные проволочные выводы ИМС с золотым покрытием, осажден­ным на ковар по подслою никеля.

Установки ультразвуковой сварки оснащаются различными системами передачи ультразвуковых колебаний к месту контак­та свариваемых материалов. Так, для приварки проволочных выводов ИМС обычно применяют ультразвуковую продолъно-поперечную колебательную систему с инструментом, совершаю­щим колебания изгиба (Рисунок 8.4.3).

Ультразвуковые колебания от преобразователя 1 передают­ся по концентратору (волноводу) 2 к расположенному перпен­дикулярно ему сварочному инструменту 3, которой, в свою очередь, передаёт их проволочному элетродному выводу 4 и кристаллу 5. Инструмент, совершая колебания изгиба, воздействует на электродный вывод, притирая его к кристаллу. При этом поверхности контакта очищаются, нагреваются, сближаются и происходит взаимная диффузия атомов.

Рисунок 8.4.3. Ультразвуковая продольно-поперечная коле­бательная система:

1 - преобразователь (вибратор), 2 - концентратор (волновод), 3 - инструмент, 4 - электродный вы­вод, 5 - контактная площадка кристалла, б - уст­ройство крепления, 7, 8 - обмотки возбуждения и подмагничивания

Прочность соединений, полученных ультразвуковой свар­кой, зависит от амплитуды и частоты ультразвуковых колебаний инструмента, контактного усилия, прикладываемого к сваривае­мым деталям, состояния их поверхностей, времени сварки и мощности колебательной системы.

Амплитуду и частоту колебаний инструмента для каждой пары деталей определенной толщины подбирают опытным пу­тем, так как от них зависит динамическая нагрузка, передавае­мая в зоне контакта. Так, для соединения деталей небольшой толщины используют малые амплитуды (0,005-0,015 мм) и повышенные частоты (до 100 кГц).

Пластическая деформация материалов зависит от их физи­ко-механических свойств, толщины и приложенного контактно­го усилия, а также состояния поверхностей. Так, для электрод­ных выводов диаметром От 20 до 50 мкм контактное усилие ле­жит в пределах 0,05 — 1 Н.

Мощность колебательной системы определяется конструк­цией установки, а время сварки зависит от выбранных ампли­туды и частоты колебаний инструмента, контактного усилия, а также свойств свариваемых материалов, их толщины и обычно составляет от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды.

Свариваемые поверхности должны быть чистыми, не иметь жировых пленок и грубых дефектов. Следует помнить, что основным условием высококачественной ультразвуковой свар­ки является свободное контактирование соединяемых поверх­ностей. ,

Интенсификации процесса ультразвуковой сварки способ­ствует косвенный импульсный нагрев инструмента. Одновремен­ное воздействие ультразвуковых колебаний на соединяемые детали и импульсного нагрева инструмента повышает прочность, уменьшает деформацию выводов и позволяет сваривать трудно-свариваемые материалы.