Материал: Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

11.1-1. Определения, терминология и основные схемы

Термокомпрессия — это способ соединения металлов с металлами и неметал­ лами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давле­ ниях [1—3, 5, 6—8]. По терминологии, которая принята в области сварки (ГОСТ 2601—84), более правильно термокомпрессию называть микросваркой давлением с подогревом соединяемых деталей.

Термокомпресснонная сварка является наиболее широко применяемым

ладать достаточно высокой пластичностью. Температура при термокомпрессии не превышает температуры образования эвтектики соединяемых материалов и обычно равна температуре отпуска или отжига более пластичного металла.

Разновидностью способа сварки давлением с подогревом является сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН) [1—3, 5]. В способе СКИН в отличие от термокомпрессии инструмент (пуансон) импульсно нагре­ вается проходящим по нему током. Из-за кратковременности процесса на­ грева металлический проводник в месте контакта может нагреваться до более высоких температур, чем при термокомпрессии. Это дает возможность прива­ р и в а т ь проводники из относительно малопластичных металлов к тонким плен­ кам на керамических подложках.

Разновидности термокомпрессионной сварки могут быть классифициро­ ваны по трем основным признакам: по способу нагрева, по способу выполне­ ния соединения и по типу образующегося соединения, обусловленного формой применяемого инструмента [1—3, 6—8].

Подвод тепла в зону сварки осуществляют тремя способами: нагрев только рабочего столика, нагрев рабочего инструмента, одновременный нагрев рабочего столика и инструмента (рис. 11.1).

Применяют следующие способы выполнения соединений при термокомпрес­

тактную площадку. Ось вывода располагают параллельно плоскости контакт­ ной площадки, а вывод подают под инструмент сбоку через специальную

скости контактной площадки) предварительно оплавляют. Диаметр образую-

РНс. 11.1. Разновидности термокомпрессии в зависимости от способа нагрева:

0 нагрев тоЛько рабочего столика; б — нагрев рабочего инструмента; в — одновременный нагрев рабочего столика и инструмента; 1 — рабочий инстру­ мент (пуансон); 2.— присоединяемый проводник; 3 — подложка или кристалл по­ лупроводникового прибора; 4 — рабочий столик; 5 — спираль для нагрева

этом форма торца рабочего инструмента может быть плоской, с поперечной, продольной или крестообразной канавкой и с выступом. Широкое применение нашли капилляры с центральным отверстием и с боковой подачей. В тех слу­ чаях, когда недопустим общий нагрев свариваемых деталей, применяется ми­ кросварка давлением с косвенным импульсным нагревом V-образным инстру­ ментом, имеющим в нижней рабочей части перемычку уменьшенного сече­ ния [1—3] (рис. 11.5).

11.1.2. Технологические возможности

Размеры свариваемых изделий

Методом термокомпрессии и СКИН присоединяются золотые, алюминиевые и медные проводники 010—150 мкм к разнооб­ разным пленкам, напыленным на диэлектрические или полу­ проводниковые подложки [1, 2, 3, 5].

Выполнение неразъемных соединений в полупроводниковых приборах имеет ряд специфических особенностей: большая разница толщин соединяемых изделий — металлические провод­ ники толщиной (или диаметром) 10—150 мкм должны прива­ риваться к тонким пленкам (0,5—5 мкм), нанесенным на диэ­ лектрические, полупроводниковые или металлические под­ ложки [8].

Свариваемость однородных и разнородных материалов

Все соединяемые материалы при термокомпрессионной сварке и СКИН по свариваемости можно разделить на три группы [1, 6]:

1.Металлы с хорошей взаимной диффузией в твердом со­ стоянии, образующие ряд твердых растворов (Ag—Au, Au— Си); они обладают наилучшей свариваемостью при соедине­ нии термокомпрессией и СКИН.

2.Материалы, образующие между собой низкотемператур­

ные эвтектики (А1—Si, Au—Si); они обладают удовлетвори­ тельной свариваемостью.

3. Металлы, взаимная диффузия которых приводит к обра­ зованию интерметаллических соединений и эвтектик (Au—А1, Au—Sn); они обладают хорошей свариваемостью, но при их соединении требуется более тщательное соблюдение рекомендо­ ванных параметров режимов сварки.

Характеристики свариваемости некоторых сочетаний мате­ риалов при термокомпрессии и СКИН приведены в табл. 11.1 [1, 3].

11.2. Технология

11.2.1. Требования к конструкции соединений

При термокомпрессионной сварке и СКИН применяются сое­ динения внахлестку и встык. К нахлесточным соединениям предъ­ являются следующие требования [1, 6, 7]: конфигурация соеди­ нения должна зависеть от формы наконечника инструмента; размер торца иглы должен быть не меньше двух диаметров вывода, чтобы избежать неравномерной деформации его при сварке; длина деформированного участка проволоки должна быть не менее двух ее диаметров; при сварке краем капилляр­ ного инструмента диаметр его торца должен быть не менее 4,5—5,5 диаметра проволоки, при этом ширина кольца капил­ лярного наконечника равна 1,5—2 диаметрам проволоки, а диа­ метр отверстия капилляра составляет 1,5 диаметра проволоки.

К стыковым соединениям предъявляются следующие требо­ вания [6, 7]: диаметр оплавленного конца вывода (шарика) должен составлять два диаметра проволоки; относительная де­ формация оплавленного шарика не должна превышать 75 %; диаметр соединения должен определяться размерами контакт­ ной площадки прибора; минимальный размер контактной пло­ щадки на приборе должен быть больше диаметра соединения на величину точности его постановки.

1 1 .2 .2 . Подготовка поверхностей

Качество сварных соединений при термокомпрессии и СКИН в значительной степени определяется состоянием поверхности свариваемых элементов. Это особенно заметно при соединении проводников с тонкими напыленными пленками. Наиболее ка­ чественные соединения методом термокомпрессии и СКИН можно получить при сварке проводников с металлическими пленками непосредственно после их напыления на полупровод­ никовые пластины [6].

Известны четыре основных вида возможных загрязнений свариваемых материалов [5]:

1.Химически не связанные с поверхностью механические загрязнения (пыль и различные мелкие частицы).

2.Химически связанные с поверхностью загрязнения (оксид­ ные; нитридные и другие пленки), образующиеся при химиче­ ской и термической обработке свариваемых элементов, при хранении.

3.Загрязнения в виде органических соединений (жировые пятна, остатки фоторезиста и воска).

4.Ионные загрязнения (от предварительной химической об­ работки в щелочах, кислотах или солях, остатки флюса).

При производстве микроэлектронных приборов применяют четыре основных метода удаления загрязнений с поверхности

лотной или щелочной обработкой).

5. Механическое воздействие с целью удаления частиц за­ грязнений потоком жидкости или газа (например, удаление пылинок струей жидкости или в ванне с жидкостью при воз­ действии ультразвуковых колебаний).