Модификация процесса монтажа проволочных и ленточных выводов к кристаллам силовых полупроводниковых приборов
На правах рукописи
КАДАНЦЕВ Игорь Александрович
МОДИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА МОНТАЖА ПРОВОЛОЧНЫХ И ЛЕНТОЧНЫХ ВЫВОДОВ К КРИСТАЛЛАМ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Специальность: 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж – 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Зенин Виктор Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Петров Борис Константинович;
кандидат технических наук
Удовик Анатолий Павлович
Ведущая организация ОАО «Воронежский завод полупроводниковых приборов – Сборка»,
г. Воронеж
Защита состоится 24 мая 2011 года в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Автореферат разослан «___» апреля 2011 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Горлов М.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Внедрение энергосберегающих технологий неразрывно связано с достижениями в области силовой электроники. При монтаже мощных полупроводниковых приборов, таких как MOSFET и IGBT, одним из наиболее распространенных способов электрического соединения между контактными площадками кристалла и выводами корпуса является ультразвуковая сварка (УЗС) с помощью проволочных выводов диаметром 0,25 – 0,5 мм или ленточных перемычек. Этот вид монтажа остается одним из основных при сборке полупроводниковых приборов, что объясняется высокой автоматизацией процесса, универсальностью по отношению к различным технологическим вариантам производства и геометрическим размерам изделий.
В последнее время в печати появляются сообщения о перспективности сборки силовых полупроводниковых приборов (СПП) УЗС с использованием алюминиевой ленты. Данная технология получила название HARB (Heavy Aluminum Ribbon Bonding). Присоединение одной ленты шириной 2,0 мм и толщиной 0,3 мм эквивалентно трем петлям из проволоки диаметром 0,5 мм. Учитывая конструктивные и технологические особенности изготовления металлизации контактных площадок на кристаллах СПП, производитель может столкнуться с рядом ограничений на HARB-процесс. Нельзя полностью согласиться с утверждением, что «физические основы HARB и традиционной сварки толстой алюминиевой проволоки настолько близки, что для выполнения сварки лентой подойдет обычная установка УЗС, лишь немного модернизированная под HARB-процесс».
Известно, что в производстве СПП качество соединений на траверсах корпусов выше, чем на контактных площадках кристаллов. Для обеспечения высокого качества и воспроизводимости соединений на кристаллах СПП, полученных УЗС, необходимо проведение следующих исследований и разработок: свойств поверхности контактных площадок; оптимизация технологических режимов УЗС методом математического моделирования; разработка новых способов сварки, в том числе и сварочного инструмента с активацией процесса физико-химического взаимодействия контактирующих металлов (вывод – пленочная металлизация).
При разработке новых способов сварки необходимо учитывать традиционно сложившиеся подходы и методики конструирования и технологии производства СПП. Поэтому вопросы совершенствования процесса монтажа проволочных и ленточных выводов к кристаллам СПП являются актуальными как в научном, так и в прикладном плане.
Диссертация выполнена на кафедре «Полупроводниковая электроника и наноэлектроника» ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в рамках госбюджетных программ ГБ-04.34 «Исследование полупроводниковых материалов (Si, A3B5 и др.), приборов и технологии их изготовления», номер гос. регистрации 0120.0412888 и ГБ-2010.34 «Физические основы технологии и проектирования полупроводниковых изделий микроэлектроники».
Цель и задачи работы. Целью работы является решение научно-технической задачи по повышению качества контактов алюминиевых проволочных и ленточных выводов с двухслойной алюминиевой металлизацией кристаллов силовых полупроводниковых приборов.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:
анализ способов монтажа внутренних выводов на кристаллах СПП;
исследование свойств поверхности двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов с нижним слоем, легированным 1% Ni или 1% Ti;
установление влияния двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов на качество сварных соединений с алюминиевыми выводами;
оценка коррозионной устойчивости, удельного и поверхностного сопротивлений, микротвердости двухслойной алюминиевой металлизации;
определение переходного сопротивления контактов проволоки и ленты с двухслойной алюминиевой металлизации кристаллов;
выбор оптимальных режимов УЗС проволочных и ленточных алюминиевых выводов к контактным площадкам кристаллов СПП;
зависимость удельного давления сварочного инструмента на кристалл при оптимальных режимах УЗС от геометрических размеров присоединяемых выводов;
расчет параметров конического ультразвукового концентратора для ультразвукового сварочного устройства;
расчет рабочего вылета инструмента в установке для УЗС выводов в корпусах с глубоким расположением кристалла;
разработка нового способа сварки ленточных выводов к кристаллам СПП импульсным нагревом сварочного инструмента с приложением к нему давления и ультразвуковых колебаний.
Методы исследований. При выполнении экспериментов использованы современные методы и оборудование. Напайка кристаллов с использованием припоя ВПр6 на основания корпусов осуществлялась на полуавтоматической установке ЭМ–4085–14М. Для УЗС проволочных/ленточных выводов использовалась установка УСИММ-61.
Коррозионно-электрохимическое поведение алюминиевой металлизации изучали потенциодинамическим методом на потенциостате П-5827М с автоматической записью на потенциометре КСП.
При выполнении экспериментов использовались электронный микроанализ и растровая электронная микроскопия.
Научная новизна работы. Получены следующие новые научные и технические результаты:
впервые установлено влияние легирования нижнего слоя 1% Ni или 1% Ti на свойства (химический состав, микротвердость, коррозионная устойчивость, поверхностное и удельное сопротивления) поверхности двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов и на качество (прочность и сопротивление) контактов на кристаллах СПП;
методом планирования многофакторных экспериментов определены оптимальные режимы УЗС проволочных и ленточных алюминиевых выводов к кристаллам с двухслойной алюминиевой металлизацией СПП, обеспечивающие высокое качество контактов;
впервые установлена зависимость удельного давления сварочного инструмента на кристалл при оптимальных режимах УЗС от геометрических размеров присоединяемых выводов. Показано, что при сборке СПП с использованием алюминиевой ленты сечением 1,35х0,145 мм2 требуется удельное давление сварочного инструмента на кристалл в 7 раз меньше, чем при УЗС проволоки диаметром 0,025 мм;
разработан новый способ сварки ленточных выводов к кристаллам СПП, отличающийся от известных тем, что формирование контактов осуществляется импульсным нагревом сварочного инструмента с приложением к нему давления и ультразвуковых колебаний;
Реализация результатов работы, практическая значимость.
Проведен анализ способов монтажа внутренних выводов на кристаллах СПП. Показана перспектива использования ленточных выводов (HARB–технология) в производстве СПП.
Исследованы свойства поверхности двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов с нижним слоем, легированным 1% Ni или 1% Ti, и их влияние на качество сварных соединений с алюминиевыми выводами СПП.
Проведена оценка коррозионной устойчивости, удельного и поверхностного сопротивлений, микротвердости двухслойной алюминиевой металлизации. Существенное влияние на коррозионную устойчивость двухслойной алюминиевой металлизации оказывает температурный отжиг и легирование нижнего слоя алюминиевой металлизации кремнием.
Определено переходное сопротивление контактов проволоки и ленты с двухслойной алюминиевой металлизацией кристаллов. Установлено, что величина переходного сопротивления контактов проволоки и ленты с двухслойной алюминиевой металлизацией уменьшается с ростом толщины металлизации, а также при напылении алюминия на SiO2-основу по сравнению с напылением на чистый кремний.
На основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований определены оптимальные режимы УЗС проволоки диаметром 0,4 мм и ленты сечением 1,35х0,145 мм2 к двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов, обеспечивающие высокое качество контактов.
Установлена зависимость удельного давления сварочного инструмента на кристалл при оптимальных режимах УЗС от геометрических размеров присоединяемых выводов. При сборке СПП с использованием алюминиевой ленты сечением 1,35х0,145 мм2 требуется удельное давление на контактные площадки кристаллов в 7 раз меньше, чем проволоки диаметром 0,025 мм. Утверждение производителей СПП о том, что при использовании HARB – процесса возможно повреждение кристалла, не обосновано.
Проведены расчеты параметров конического ультразвукового концентратора для ультразвукового сварочного устройства и рабочего вылета инструмента в установке для УЗС выводов в корпусах с глубоким расположением кристалла.
Разработан новый способ сварки ленточных выводов к кристаллам СПП, заключающийся в том, что формирование контактов осуществляется импульсным нагревом сварочного инструмента с приложением к нему давления и ультразвуковых колебаний. Для данного способа приведены стадии формирования сварных контактов и разработана циклограмма процесса сварки.
Основные положения, выносимые на защиту.
Установленную зависимость влияния легирования нижнего слоя 1% Ni или 1% Ti на свойства (химический состав, микротвердость, коррозионная устойчивость, поверхностное и удельное сопротивления) поверхности двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов и на качество (прочность и сопротивление) контактов на кристаллах СПП.
Выбор оптимальных режимов УЗС проволочных и ленточных алюминиевых выводов к кристаллам с двухслойной алюминиевой металлизацией СПП, обеспечивающие высокое качество контактов «вывод - пленочная» металлизация.
Расчетную зависимость удельного давления сварочного инструмента на кристалл при оптимальных режимах УЗС от геометрических размеров присоединяемых выводов.
Новый способ сварки ленточных выводов к кристаллам СПП, заключающийся в том, что формирование контактов осуществляется импульсным нагревом сварочного инструмента с приложением к нему давления и ультразвуковых колебаний.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научно-технических семинарах: семинаре-презентации «Элементная база силовой электроники, СБИС и ПЛИС специального назначения», (Воронеж, 2008); XV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2008» (Москва, 2008); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов (Воронеж, 2007 – 2010); Международном научно-методическом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] – анализ свойств алюминиевой металлизации на кристаллах, [2 – 4, 6, 7, 8, 9, 12, 16, 18] – исследование свойств двухслойной алюминиевой металлизации и их влияние на качество соединений с алюминиевыми выводами, [10, 11, 13] – оптимизация режимов УЗС проволоки и ленты из алюминия к кристаллам СПП, [5, 7, 14, 15, 17] – расчеты концентратора и инструмента для установки УЗС, [1 – 18] – обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 141 наименования. Основная часть работы изложена на 158 страницах, содержит 62 рисунка и 15 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, приведены сведения о публикациях по теме диссертации, личном вкладе автора в совместных работах, структуре и объеме диссертации.
В первой главе проанализировано современное состояние с обеспечением качества соединений внутренних выводов на кристаллах силовых полупроводниковых приборов (СПП). По источникам научно-технической информации проанализированы способы и режимы монтажа внутренних выводов в производстве СПП и конструкции инструмента для присоединения внутренних выводов СПП. Анализ способов монтажа внутренних соединений показал, что в настоящее время в производстве используется ультразвуковая сварка (УЗС). Для обеспечения заданного качества и воспроизводимости соединений, полученных УЗС, необходимо обеспечение следующих конструктивно – технологических факторов: заданных свойств металлизации кристаллов (микротвердости, коррозионной устойчивости, поверхностного и удельного сопротивлений), режимов УЗС, конструкции сварочного инструмента.
В производстве маломощных полупроводниковых приборов и ИС для повышения качества сварных соединений алюминиевой проволоки с контактными площадками кристаллов широко применяется двухслойная алюминиевая металлизация различной толщины. На контактных площадках формируют два слоя алюминия по следующей схеме: нижний, толщиной более толщины защитного диэлектрического покрытия, легируют до микротвердости не менее микротвердости материала вывода, а верхний, толщиной не менее 0,4 мкм, не легируют. Слой чистого алюминия обеспечивает хорошую свариваемость с алюминиевой проволокой при "мягких" режимах за счет его высокой пластичности. Нижний слой защищает диэлектрическое покрытие от непосредственного контакта с привариваемой проволокой. При нанесении слоев алюминиевой металлизации в одном технологическом процессе обеспечивается гарантированная адгезия между ними.
Следует отметить, что в настоящее время информация об исследованиях соединений внутренних выводов с двухслойной алюминиевой металлизацией толщиной 4,0 – 7,0 мкм на кристаллах СПП отсутствует.
Приведены сведения о методах, приборах и оборудовании, используемых для проведения экспериментов.
Вторая глава посвящена исследованию двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов СПП. Для исследования алюминиевой металлизации были изготовлены три партии образцов. Первая партия состояла из пяти групп кристаллов 7,33х7,31 мм2 с активными областями (изготовленные по стандартной технологии ЗАО «ВЗПП -Микрон») с различной толщиной алюминиевой металлизации на контактных площадках (4,0 и 6,0 мкм) и различной толщиной (от 0,2 до 1,0 мкм) нижнего слоя алюминия, легированного 1% Ni.
Во вторую партию входили кристаллы без активных областей, на которые (в составе пластины) напылялась алюминиевая металлизация толщиной 4,5 и 6,0 мкм с одинаковой толщиной нижнего слоя Al+1% Ni равной 0,2 мкм. При этом алюминиевая двухслойная металлизация напылялась на кремний и на SiO2.
В третью партию входили кристаллы 9,15х9,15 мм2 без активных областей, на которые (в составе пластины) напылялась на кремний и на SiO2 алюминиевая металлизация толщиной 6,7 мкм с одинаковой толщиной 1,1 мкм нижнего слоя Al+1% Тi.
Микроструктурный анализ поверхности двухслойной алюминиевой металлизации общей толщиной 4,0; 4,5; 6,0 мкм с нижним слоем Al+1%Ni толщиной 0,2, 0,5 и 1,0 мкм и общей толщиной 6,7 мкм с нижним слоем Al+1%Ti толщиной 1,1 мкм, нанесенной на кремний (с активными областями и без них) и на оксид кремния не выявил существенных различий в структуре данных пленок. Имеются «шипы» на поверхности пленок, их плотность и размеры на всех образцах практически одинаковые. Количественный анализ химического состава «шипов» и прилегающих к ним участков показал, что они на 100 % состоят из чистого алюминия.
Рентгеноспектральный микроанализ поверхности двухслойной алюминиевой металлизации общей толщиной 4,0; 4,5; 6,0 мкм с нижним слоем Al+1%Ni толщиной 0,2, 0,5 и 1,0 мкм и общей толщиной 6,7 мкм с нижним слоем Al+1%Ti толщиной 1,1 мкм, нанесенной на кристаллы кремния без активных областей (с нижним слоем оксида кремния и без него) и на кристаллы кремния с активными областями, показал изменение химического состава данных пленок. Установлено наличие кремния (до 1,5%) на поверхности алюминиевой металлизации, нанесенной на кремний (рис. 1).
Рис. 1. Содержание элементов в поверхностном слое алюминиевой металлизации: 1 – алюминий; 2 – кремний
Установлено повышение на 35% микротвердости двухслойной алюминиевой металлизации на кристаллах с активными областями по сравнению с металлизацией на кристаллах без активных областей. Микротвердость двухслойной алюминиевой металлизации общей толщиной 6,7 мкм с нижним слоем Al+1%Тi толщиной 1,1 мкм, напыленной на кремний, на 1,3% выше микротвердости аналогичной металлизации, напыленной на оксид кремния. Микротвердость двухслойной алюминиевой металлизации с нижним слоем, легированным 1%Тi, на 200-250% выше микротвердости металлизации с нижним слоем, легированным 1%Ni.
Экспериментально показано, что коррозионная устойчивость металлизации с нижним слоем Al+1%Ti ниже, чем с нижним слоем Al+1%Ni. Формирование двухслойной алюминиевой металлизации на контактных площадках СПП с нижним слоем, легированным 1%Ni или 1%Ti с целью повышения ее коррозионной устойчивости, нецелесообразно. Более эффективным может быть легирование нижнего слоя алюминиевой металлизации кремнием.
На двухслойной алюминиевой металлизации толщиной 4,5 и 6,0 мкм, нанесенной на кремний, величина удельного и поверхностного сопротивлений на 10% выше, чем у аналогичных образцов, нанесенных на SiO2. Значения поверхностного и удельного сопротивлений на металлизациях с нижним слоем Al+1%Ti на 21% выше, чем у аналогичных образцов с нижним слоем Al+1%Ni. Это, по-видимому, связано с тем, что значение удельного сопротивления титана (5,610-7 Омм) выше удельного сопротивления никеля (8,710-8 Омм).
В третьей главе рассмотрено влияние конструктивно-технологичес-ких факторов на качество сварных соединений проволочных и ленточных выводов с контактными площадками кристаллов СПП.
Установлено, что прочность сварных соединений алюминиевой проволоки с двухслойной алюминиевой металлизацией, имеющей нижний слой, легированный 1% Ti, на 12% выше, чем для металлизации, легированной 1% Ni (рис. 2). Это объясняется тем, что микротвердость металлизации, легированной Ti, на 200 – 250% выше, чем у металлизации, легированной Ni. При формировании соединений повышенная микротвердость приводит к увеличению усилия сжатия проволоки к пленке и мощности УЗ колебаний, что способствует увеличению прочности сварных соединений.
С точки зрения получения высокой прочности соединений «проводник-металлизация» двухслойные металлизации с нижним слоем Al+1%Ni и с нижним слоем Al+1%Ti возможно использование данных технологических покрытий контактных площадок на кристаллах СПП. Следует отметить, что соединения алюминиевой проволоки/ленты с алюминиевой металлизацией характеризуются стабильностью при сварке. Качество соединений алюминиевой проволоки/ленты с металлизацией имеющий нижний слой, легированный никелем и титаном, выполненных УЗС, зависит от свойств металлизации поверхностного слоя. Следует отметить, что деформация сварного соединения на кристалле при использовании ленты сечением 1,35х0,145 мм2 оказалась незначительна (около 1,4 мм) и одинакова у всех образцов. Интегральное распределение прочности сварных соединений ленты с алюминиевой металлизацией представлено на рис. 2.
Установлено, что величина переходного сопротивления контактов проволоки и ленты с двухслойной алюминиевой металлизацией уменьшается с ростом толщины металлизации (на 18%) и при напылении алюминия на SiO2-основу (на 58%). Это согласуется с проведенными исследованиями коррозионной устойчивости алюминиевой металлизации, которые показали рост анодного тока прямо пропорционально уменьшению переходного сопротивления.
На основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований оптимальными режимами УЗС внутренних выводов из алюминиевого сплава АОЦПоМ (ТУ 6365-051-46594157-2004) к контактным площадкам кристаллов СПП являются:
– для сварки проволокой диаметром 0,4 мм к алюминиевой пленке толщиной 4,5 мкм (толщина нижнего слоя алюминия, легированного 1% Ni, составляет 0,2 мкм) усилие сжатия инструмента Q = 590 сН, мощность ультразвуковых колебаний W = 150 дел. лимба установки, время сварки опт=40 мс;
– для сварки лентой сечением 1,35х0,145 мм2 к алюминиевой пленке толщиной 6,7 мкм (толщина нижнего слоя алюминия, легированного 1% Тi, составляет 1,1 мкм) усилие сжатия инструмента Q = 650 сН, мощность ультразвуковых колебаний W = 165 дел. лимба установки, время сварки опт=40 мс.
Рис. 2. Интегральное распределение прочности соединений алюминиевой ленты шириной 1,35 мм с алюминиевой металлизацией с нижним слоем, легированным никелем и титаном после сварки: 1 - алюминий толщиной 4,5 мкм с нижним слоем Al + 1% Ni толщиной 0,2 мкм, нанесенный на Si; 2 - алюминий толщиной 4,5 мкм с нижним слоем Al + 1% Ni толщиной 0,2 мкм, нанесенный на SiO2; 3 - алюминий толщиной 6,0 мкм с нижним слоем Al + 1% Ni толщиной 0,2 мкм, нанесенный на Si; 4 - алюминий толщиной 6,0 мкм с нижним слоем Al + 1% Ni толщиной 0,2 мкм, нанесенный на SiO2; 5 - алюминий толщиной 6,7 мкм с нижним слоем Al + 1% Ti толщиной 1,1 мкм, нанесенный на Si; 6 - алюминий толщиной 6,7 мкм с нижним слоем Al + 1% Ti толщиной 1,1 мкм, нанесенный на SiO2
Установлено, что при сборке СПП с использованием алюминиевой ленты сечением 1,35х0,145 мм2 требуется удельное давление сварочного инструмента на кристалл при оптимальных режимах УЗС в 7 раз меньше, чем при УЗС проволоки диаметром 0,025 мм (табл. 1). Поэтому утверждение производителей СПП о том, что при использовании HARB – процесса возможно повреждение кристалла, не обосновано.
В работе [1] отмечается, что при изготовлении силового диода давление на кристалл при HARB-процессе достигает 3,5 кгс (34,3 Н). Утверждается, что в хрупких кристаллах или при применении тонких слоев металлизации контактных площадок HARB-процесс не может быть использован из-за риска повреждения кристаллов.
На наш взгляд, это не соответствует действительности. Для стандартной ленты шириной 2,0 мм и толщиной 0,2 мм нами проведены расчеты удельного давления сварочного инструмента на кристалл в зависимости от геометрических размеров ленты. В табл. 2 приведены данные зависимости удельного давления сварочного инструмента на кристалл от геометрических размеров ленты, используемой при УЗС СПП.
Таблица 1
Зависимость удельного давления сварочного инструмента на кристалл
от геометрических размеров выводов, используемых при
УЗС полупроводниковых изделий
| № п/п | Диаметр алюминиевого вывода, мм | Усилие сжатия при сварке, Н | Длина вывода в сварном соединении, мм | Деформация вывода при сварке, мм | Площадь сварного соединения, мм2 | Удельное давление на контактные площадки, Н/мм2 |
| 1 | 0,025 | 0,26 | 0,1 | 0,038 | 0,0038 | 68,4 |
| 2 | 0,03 | 0,3 | 0,12 | 0,045 | 0,0054 | 55,56 |
| 3 | 0,05 | 0,7 | 0,2 | 0,075 | 0,015 | 46,7 |
| 4 | 0,25 | 4,5 | 0,6 | 0,375 | 0,225 | 20 |
| 5 | 0,4 | 5,5 | 0,7 | 0,6 | 0,42 | 13,1 |
| 6 | лента сечением 1,35х0,145 | 6,2 | 0,45 | 1,4 | 0,63 | 9,84 |
Таким образом, разрушение кристалла при давлении сварочного инструмента усилием 3,5 кгс (35 Н) на привариваемую ленту не произойдет, даже при площади сварного соединения 1,125 мм2 (предел прочности кремния на сжатие []сж = 9,47 кгс/мм2). Естественно, при этом нужно строго соблюдать параллельность рабочей площадки сварочного инструмента относительно кристалла.
Для монтажа ленточных выводов к кристаллам СПП предложен способ термозвукоимпульсной сварки (ТЗИС), для которого приведены стадии формирования сварных контактов и разработана циклограмма процесса сварки.
Данный способ реализуется следующим образом (рис. 3). На столике размещают корпус СПП с полупроводниковым кристаллом, имеющим контактные площадки. Привариваемый ленточный вывод, проходит через боковое отверстие V – образного электрода и совмещается с контактной площадкой кристалла. На первой стадии (I) на V – образный электрод (сварочный инструмент) подают импульс тока (J), разогревая соединяемые детали до заданной температуры. На второй стадии (II) одновременно с начальным давлением (P) на V – образный электрод подают ультразвуковые колебания (F) с заданной амплитудой. При этом оксидные пленки на соединяемых поверхностях разрушаются при сдавливании, обеспечивается пластическое течение металлов в зоне сварки. Приложенное к свариваемым деталям начальное давление с амплитудой ультразвуковых колебаний V – образного электрода кроме разрушения оксидных пленок и удаления их из зоны сварки, обеспечивает физический контакт соединяемых поверхностей по всей площади. Лента скользит по поверхности контактной площадки, что вызывает увеличение температуры (Т). Площадь взаимодействия (S) и прочность (Q) малы.
Таблица 2
Зависимость удельного давления сварочного инструмента на кристалл
от геометрических размеров ленты, используемой при УЗС СПП
| № п/п | Размеры ленты, мм | Усилие сжатия при сварке, Н | Длина ленты в сварном соединении, мм | Деформация ленты при сварке, мм | Площадь сварного соединения, мм2 | Удельное давление на контактные площадки, Н/мм2 |
| 1 | 2,0х0,2 | 35 | 0,5 | 2,25 | 1,125 | 31,11 |
| 2 | 0,75 | 2,20 | 1,65 | 21,21 | ||
| 3 | 1,0 | 2,15 | 2,15 | 16,28 | ||
| 4 | 1,5 | 2,10 | 3,15 | 11,11 | ||
| 5 | 2,0 | 2,05 | 4,1 | 8,54 |
На третьей стадии (III) к V – образному электроду прикладывают добавочное давление с одновременным снижением амплитуды колебаний до нуля, что способствует развитию взаимодействия соединяемых металлов как в плоскости, так и в объеме зоны контакта. Эта стадия характеризуется деформацией ленты, увеличением площади взаимодействия контактируемых поверхностей. Прочность соединения «лента – металлизация» достигает максимального значения. На четвертой стадии (IV) скорость деформации ленты и температура в контакте падают.
Таким образом, обеспечивается формирование качественного соединения ленточного вывода с контактной площадкой кристалла и предохраняет пленку SiO2 от растрескивания, что, в конечном счете, повышает надежность СПП. После сварки на кристалле V – образный электрод перемещается на позицию сварки на контактную площадку траверсы корпуса.
Проанализировано влияние удельного давления сварочного инструмента на кристалл от геометрических размеров проволоки и ленты, используемых при УЗС ППИ. Для этих целей проводилась имитация УЗС внутренних соединений с кристаллами кремния ориентации (111). Осуществлялось давление сварочного инструмента непосредственно на кристалл без пленочной металлизации и выводов. При этом соблюдались оптимальные режимы (время сварки и мощность УЗ колебаний) для конкретного диаметра проволоки и сечения ленты.
Рис. 3. Циклограмма процесса ТЗИС ленточных выводов СПП:
J – импульс тока, подаваемый на V – образный электрод;
P – давление, приложенное к свариваемым деталям;
F – ультразвуковые колебания заданной амплитуды;
S – площадь взаимодействия;
Q – прочность соединений;
T – температура в контакте;
I – IV – стадии процесса сварки;
– время формирования сварного соединения
Проведен анализ дислокационных структур в кристаллах кремния на глубине 8-10 мкм после имитации УЗС. Установлено, что дислокационные структуры в кремнии имеют форму и размеры пропорционально геометрическим размерам рабочей площадки сварочного инструмента. Микротрещины в кристаллах не наблюдались независимо от удельного давления инструмента.
В четвертой главе представлено практическое применение результатов исследований в производстве СПП.
Рассчитаны следующие параметры конического ультразвукового концентратора для установки УЗС: длина, положение узловой плоскости, коэффициент усиления и форма образующей поверхность концентратора с заданным шагом.
Приведены расчеты рабочего вылета инструмента для сварки внутренних выводов с глубоким расположением кристаллов в корпусах. Расчеты показывают возможность трансформировать величины механических сопротивлений нагрузки в необходимое значение входного сопротивления инструмента, что обеспечивает эффективное использование ультразвуковых колебаний, генерируемых магнитострикционным преобразователем.
Проведена неразрушающая оценка допускаемой прочности соединений «лента-металлизация» для СПП, имеющих разновысотность между кристаллом и траверсами корпуса.
С целью снижения напряжений в системе «пленочная металлизация- кристалл», а также повышения выхода годных кристаллов на операции «скрайбирование», разработан способ напыления металлизации на обратную сторону кристаллов в составе пластины. Напыление осуществляется через трафарет, имеющий сквозные отверстия, форма и размеры которых идентичны размерам кристалла, а перемычки между отверстиями в трафарете соизмеримы с шириной разделительных дорожек между кристаллами лицевой стороны пластины.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В диссертации получены следующие научные и технические результаты:
1. Микроструктурный анализ поверхности двухслойной алюминиевой металлизации общей толщиной 4,0; 4,5; 6,0 мкм с нижним слоем Al+1%Ni толщиной 0,2, 0,5, 1,0 мкм и общей толщиной 6,7 мкм с нижним слоем Al+1%Ti толщиной 1,1 мкм, нанесенной на кремний (с активными областями и без них) и на оксид кремния, не выявил существенных различий в структуре данных пленок.
2. Рентгеноспектральный микроанализ поверхности двухслойной алюминиевой металлизации общей толщиной 4,0; 4,5; 6,0 мкм с нижним слоем Al+1%Ni толщиной 0,2, 0,5, 1,0 мкм и общей толщиной 6,7 мкм с нижним слоем Al+1%Ti толщиной 1,1 мкм, нанесенной на кристаллы кремния без активных областей (с нижним слоем оксида кремния и без него) и на кристаллы кремния с активными областями, показал изменение химического состава данных пленок. Установлено наличие кремния (до 1,5%) на поверхности алюминиевой металлизации, нанесенной на кремний.
3. Коррозионная устойчивость металлизации с нижним слоем Al+1%Ti ниже, чем с нижним слоем Al+1%Ni. Формирование двухслойной алюминиевой металлизации на контактных площадках СПП с нижним слоем, легированным 1%Ni или 1%Ti, с целью повышения ее коррозионной устойчивости нецелесообразно. Более эффективным может быть легирование нижнего слоя алюминиевой металлизации кремнием.
4. На двухслойной алюминиевой металлизации толщиной 4,5 и 6,0 мкм, нанесенной на кремний, величина удельного и поверхностного сопротивлений на 10% выше, чем у аналогичных образцов, нанесенных на SiO2. Значения поверхностного и удельного сопротивлений на металлизациях с нижним слоем Al+1%Ti на 21% выше, чем у аналогичных образцов с нижним слоем Al+1%Ni. Это, по-видимому, связано с тем, что значение удельного сопротивления титана (5,610-7 Омм) выше удельного сопротивления никеля (8,710-8 Омм).
5. Прочность сварных соединений алюминиевой проволоки с двухслойной алюминиевой металлизацией, имеющей нижний слой, легированный 1% Ti, на 12% выше, чем для металлизации, легированной 1% Ni. Это объясняется тем, что микротвердость металлизации, легированной Ti, на 200 – 250% выше, чем у металлизации, легированной Ni, что способствует увеличению прочности сварных соединений.
6. Установлено, что величина переходного сопротивления контактов проволоки и ленты с двухслойной алюминиевой металлизацией уменьшается с ростом толщины металлизации (на 18%) и при напылении алюминия на SiO2-основу (на 58%).
7. На основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований определены оптимальные режимы УЗС проволоки диаметром 0,4 мм и ленты сечением 1,35х0,145 мм2 к двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов.
8. Разработан новый способ сварки ленточных выводов к кристаллам СПП, заключающийся в том, что формирование контактов осуществляется импульсным нагревом сварочного инструмента с приложением к нему давления и ультразвуковых колебаний. Для данного способа приведены стадии формирования сварных контактов и разработана циклограмма процесса сварки.
9. Установлено, что при сборке СПП с использованием алюминиевой ленты сечением 1,35х0,145 мм2 требуется удельное давление сварочного инструмента на кристалл при оптимальных режимах УЗС в 7 раз меньше, чем при УЗС проволоки диаметром 0,025 мм. Поэтому утверждение производителей СПП о том, что при использовании HARB – процесса возможно повреждение кристалла, не обосновано.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Алюминиевая металлизация на кристаллах полупроводниковых приборов и ИС / В.В. Зенин, В.П. Гальцев, И.А. Каданцев, О.В. Марченко, Б.А. Спиридонов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т.5. №2. С. 32-37.
2. Методы испытаний коррозионной устойчивости полупроводниковых изделий / В.В. Зенин, И.А. Каданцев, Б.А. Спиридонов, С.Ю. Чистяков // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т.5. №6. С. 5-6.
3. Каданцев И.А. Сопротивление контактов алюминиевая проволока - алюминиевая металлизация кристаллов силовых полупроводниковых приборов / И.А. Каданцев, В.В. Зенин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т.5. №12. С. 62-65.
4. Каданцев И.А. Оптимизация режимов ультразвуковой сварки проволоки и ленты из алюминия к кристаллам силовых полупроводниковых приборов / И.А. Каданцев, В.В. Зенин, Д.И. Бокарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т.6. №11. С. 187-191.
5. Каданцев И.А. Расчет инструмента для установки ультразвуковой сварки силовых полупроводниковых приборов / И.А Каданцев, В.В. Зенин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т.6. №12. С. 23-26.
6. Зенин В.В. Исследование коррозионной устойчивости двухслойной алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов силовых полупроводниковых приборов / В.В. Зенин, И.А. Каданцев, Б.А. Спиридонов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т.7. №1. С. 164-166.
Статьи и материалы конференций
7. Инструмент для формирования внутренних соединений в полупроводниковых изделиях / Д.И. Бокарев, И.А. Каданцев, В.И. Фролов, В.В. Зенин // Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике: регион. сб. науч. тр.-Воронеж. 2006. С. 109-113.
8. Каданцев И.А. Влияние состава алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов силовых полупроводниковых приборов на качество соединения с алюминиевой проволокой / И.А Каданцев // Микроэлектроника и информатика-2008: XV Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. М., 2008. С. 95.
9. Влияние токовой нагрузки и температуры на качество микросоединений полупроводниковых изделий / В.В. Зенин, И.А. Каданцев, С.Ю. Чистяков, А.И. Самаричева // Прогрессивные технологии и оборудование в электронике и машиностроении: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2008. С.73-81
10. Зенин В.В. Ультразвуковая сварка алюминиевой проволоки к контактным площадкам кристаллов силовых полупроводниковых приборов / В.В. Зенин, И.А. Каданцев, Д.И. Бокарев // Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2008. С.54-59.
11. Зенин В.В. Сборка силовых полупроводниковых приборов с использованием ленточных выводов / В.В. Зенин, В.И. Бойко, И.А. Каданцев // Прогрессивные технологии и оборудование в электронике и машиностроении: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2008. С.83-88.
12. Зенин В.В. Коррозионно-электрохимическое поведение алюминиевой металлизации, легированной никелем / В.В. Зенин, И.А. Каданцев, Б.А. Спиридонов // Системы жизнеобеспечения и управления в чрезвычайных ситуациях: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. Ч.1. С. 208-211.
13. Зенин В.В. Сборка силовых полупроводниковых приборов с использованием ленточных выводов / В.В. Зенин, И.А. Каданцев // Микроэлектроника: 49 науч.-техн. конф. преподавателей и студентов ВГТУ. Воронеж: ВГТУ, 2009. С.17.
14. Каданцев И.А. Расчет концентратора для установки ультразвуковой сварки / И.А. Каданцев, В.В. Зенин // Прогрессивные технологии и оборудование в электронике и машиностроении: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 89-96.
15. Зенин В.В. Инструмент для ультразвуковой сварки внутренних выводов в производстве силовых полупроводниковых приборов / В.В. Зенин, И.А. Каданцев, Е.П. Новокрещенова // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 143-148.
16. Зенин В.В. Влияние состава алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов силовых полупроводниковых приборов на качество сварных соединений с алюминиевой проволокой / В.В. Зенин, И.А Каданцев, Д. И. Бокарев // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 149-153.
17. Каданцев И.А. Расчет инструмента для установки ультразвуковой сварки / И.А Каданцев, В.В. Зенин // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2010. С. 129.
18. Микротвердость алюминиевой металлизации контактных площадок кристаллов силовых полупроводниковых приборов / И.А. Каданцев, Д.И. Бокарев, Е.П. Новокрещенова, В.В. Зенин // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2010. С. 191–193.
Подписано в печать 19.04.2011
Формат 6084/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ №.
ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
394026 Воронеж, Московский просп., 14
