Дозирование припоя при автоматизированном монтаже кристаллов полупроводниковых приборов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Владимир ЛАНИН

[email protected] Аркадий ТУРЦЕВИЧ

[email protected] Анатолий КЕРЕНЦЕВ

[email protected]

Дозирование припоя

при автоматизированном монтаже кристаллов полупроводниковых приборов

Для обеспечения устойчивости мощных полупроводниковых приборов к термоциклическим нагрузкам и высокого выхода годных изделий необходимо оптимизировать дозу припоя и параметры вибрационной пайки при монтаже кристаллов. Оптимизация процесса дозирования припоя позволит обеспечить надежный технологический процесс сборки с высокой управляемостью, стабильностью и воспроизводимостью тепловых параметров транзисторов.

Проблемы обеспечения надежности изделий при сборке

Методы монтажа кристаллов в корпус должны обеспечивать высокую прочность соединений при термоциклировании и механических нагрузках, низкое электрическое и тепловое сопротивление, минимальное механическое воздействие на кристалл и отсутствие загрязнений. Если кристаллы приборов имеют значительную мощность рассеяния (более 0,5 Вт), то между подложкой кристалла и посадочной площадкой выводной рамки необходимо создать токопроводящий электрический контакт с незначительным электрическим и тепловым сопротивлением, что достигается использованием специальных методов пайки [1].

Эксплуатационная надежность мощных транзисторов определяется главным образом их теплоэлектрическим состоянием, которое формируется на стадии монтажа кристалла в корпус. При образовании скрытых дефектов (пустот, микротрещин, сколов) под кристаллом возникают участки с аномально высоким тепловым сопротивлением. Если площадь дефектов невелика по сравнению с площадью кристалла и не затрагивает активной структуры транзистора, то изделия имеют сравнительно низкий уровень теплового сопротивления. Но в процессе длительной эксплуатации в условиях экстремальных термоциклических воздействий такие изделия могут оказаться потенциально ненадежными из-за развития микротрещин до активной структуры. Уровень остаточных термических напряжений во многом зависит от качества присоединения кристаллов к корпусу [2].

Наиболее распространенный катастрофический отказ мощных транзисторов — вто-

ричный пробой, который развивается в приборах при их эксплуатации в режимах с запасами по коммутирующему току, рабочему напряжению и средней величине рассеиваемой мощности. Причины такого вида отказа обусловлены наличием локальных участков активной структуры с аномально высокой температурой и повышенным тепловым сопротивлением кристалл-корпус за счет дефектов в припое под кристаллом, уменьшающих эффективную площадь сечения кристалла, затрудняющих распространение теплового потока за пределы кристалла и вызывающих изменение электрических параметров из-за перегрева.

Посадка кристалла на эвтектические сплавы помимо технологических трудностей (высокие температуры, золотое покрытие) имеет и другие недостатки. Ввиду малой пластичности эвтектики Ли-51 и разницы в коэффициентах термического расширения кристалла и рамки в напаянном кристалле возникают значительные механические напряжения, которые растут с увеличением температуры посадки на эвтектику с0,1 до 0,3 ГПа [3]. Это приводит к сколам кристаллов при последующих технологических операциях и механических испытаниях, а также к снижению надежности приборов. Поэтому в изделиях силовой электроники стремятся использовать монтаж

с помощью легкоплавких припоев, которые, с одной стороны, создают низкое тепловое сопротивление между кристаллом и держателем, а с другой — вследствие низких механических напряжений обеспечивают устойчивость работы изделий при циклических теплосменах.

Тепловую модель мощного транзистора с напаянным кристаллом на кристаллодержа-тель можно представить в виде трех многослойных параллелепипедов, которые имитируют кристалл с плоским источником тепла на его поверхности, слой припоя определенной толщины и участок кристаллодержателя, ограниченного размерами паяного соединения (рис. 1). Тепловое сопротивление кристалл-корпус, исходя из тепловой модели [4], определяют как:

Н*рГ м „ \

л

Ь+Ы.^В а+М.%В

+

-1п

Ъ+ 2кл

■ — х—, (1)

Хд(а—Ь) а+ 2кд Ь

где Хкр, Хпр, Х-д — теплопроводность кристалла, припоя, кристаллодержателя; ккр, кпр, к-д — толщина кристалла, припоя, кристаллодержателя; а и в — размеры источника тепла; tgВ — тангенс угла растекания теплового потока.

Рис. 2. Внешний вид кристалла после термоциклических нагрузок:

1 — кристалл; 2, 3 — контактные площадки; 4 — проволочное соединение; 5 — трещина

На зарубежных образцах изделий электроники фирм Siemens, International Rectifier реальная толщина припоя под кристаллом составляет 45-60 мкм. При толщине паяного соединения, равной 50 мкм, расчетное значение Rthjc составляет 0,545 °С/Вт, что вполне достаточно для обеспечения заданных тепловых характеристик изделий.

Существует критическая величина паяного соединения, ниже которой резко снижается надежность изделий в экстремальных условиях эксплуатации из-за возникновения внутренних механических напряжений, превышающих допустимый для данной конструкции прибора уровень. Максимальное напряжение, возникающее при охлаждении кристалла, определяется выражением:

tfmax = K(a1-a2)( Tn-T0)V{ElE2L)/X, (2)

где amax — максимальное напряжение; a1, a2 — коэффициенты линейного термического расширения припоя и кристалла; Е1, Е2 — модули упругости припоя и кристалла; Тп, То — температура пайки и окружающей среды; К — безразмерная константа, L — сторона кристалла; Х — толщина припоя под кристаллом.

Внутренние напряжения в напаянном кристалле могут достигать 50-100 МПа и при воздействии термоциклических нагрузок привести к образованию в нем трещин (рис. 2).

Так как при уменьшении толщины припоя внутренние напряжения возрастают, то с целью обеспечения надежности изделий целесообразно выбирать его толщину в пределах 25-50 мкм.

Способы дозирования припоя при монтаже кристаллов

Процесс монтажа кристаллов состоит в автоматизированном размещении кристалла на дозированной капле жидкого припоя на кристаллодержателе, которая может быть по-

лучена нанесением припойной композиции или дозированием проволочного припоя. Кристаллодержатель, или выводная рамка, транспортируется через нагреватель, где происходит контролируемый нагрев до 300-400 °С. В зону монтажа кристалла подается защитный формиргаз для снижения окисления припоя. При выборе оптимальных режимов пайки необходимо учитывать состав и свойства легкоплавких припоев, которые должны:

• обеспечивать хорошую паяемость с полупроводниковыми кристаллами;

• сохранять способность к пайке при заданном сроке хранения и обеспечивать антикоррозионную защиту;

• не подвергаться иглообразованию при хранении и разрушению при температурах сборки, испытании и эксплуатации;

• обеспечивать минимальное переходное электрическое сопротивление;

• быть устойчивыми к тепловому удару при монтаже приборов на печатные платы групповой пайкой, к химическим реагентам, используемым при сборке. Нанесение двухкомпонентной композиции Sn-Ag осуществляют послойным напылением на непланарную поверхность пластин электронно-лучевым испарением олова и магнетронным нанесением серебра. Такая система имеет широкий интервал кристаллизации при низкой температуре солидуса, равной 221 °С. Увеличение содержания Ag с 3 до 15 вес. % повышает температуру ликвидуса до 300 °С и интервал кристаллизации до 79 °С. Это приводит к необходимости увеличения температуры пайки кристаллов и перегреву припоя при сборке. В результате опробования двухкомпонентной системы Sn-Ag в качестве бессвинцовой припойной композиции для монтажа кристаллов установлено следующее [4].

1. Неравномерность распределения элементов припойной композиции по глубине нарушает ее стехиометрический состав и изменяет температуру плавления, вызывая невоспроизводимость параметров приборов.

2. При разварке золотых выводов возникают трудности, связанные с необходимостью подбора более низкой температуры, при этом более предпочтительны варианты, содержащие серебро толщиной 1,5 мкм.

3. Увеличение мощности магнетронного напыления Ag толщиной 1,5 мкм вызывает проплавление припойной композиции. При нанесении дозатором с проволочным

припоем важно обеспечить контролируемую толщину припоя между кристаллом и подложкой, низкий угол наклона кристалла и минимальное вытеснение припоя за периметр кристалла [5]. Однако при дозировании проволочного припоя не всегда удается обеспечить идеальные условия для растекания капли припоя, вершина которой в результате образования оксидной пленки имеет неправильную форму. В результате

при монтаже кристаллов может наблюдаться их значительный наклон, а также вытеснение припоя в одну сторону (рис. 3).

Монтаж кристаллов силовых ДМОП-тран-зисторов на легкоплавкий припой выполнялся на автомате типа ЭМ-4085-3 (без использования восстановительной среды) с принудительным движением кристалла в плоскости ХУ по заданной программе. Для сборки использовалась рамка выводная из медного сплава Си8п0 15, покрытая слоем химического N1 толщиной 3-6 мкм и локальным осаждением слоя металлизации: золото (0,05 мкм) и серебро (4-5 мкм).

Для монтажа кристаллов на автомате был установлен дозатор ленточного припоя ПСрОСу-8 (Ag— 8%, 8Ь — 7%), разработанный специально для этой модели автомата, в тракт загрузочно-разгрузочного устройства установлен дополнительный нагреватель с блоком контроля и регулирования температуры в пределах 150-250 °С; осуществлена подача защитного газа, который, проходя через систему каналов в корпусе нагревателей, согревается и через отверстия обдувает кристаллодержатель выводной рамки.

Дозатор ленточного припоя необходим для обеспечения подачи припойной прокладки на кристаллодержатель выводной рамки. Катушка с ленточным припоем (рис. 4) закрепляется на подвижной оси, перемещение которой в горизонтальном положении происходит с помощью рычага, управляемого со-

1 /~ 2

\ /

}

-/ 3 4

I ™ I

Рис. 4. Катушка с ленточным припоем:

1 — припой; 2 — катушка; 3 — уголок; 4 — пластина

Рис. 3. а) Излишки припоя; б) наклон кристалла при монтаже

>ш\1 1 1 и . 1 2

— /

4 - I 0 ^ 3

5 г- И I

хЦУ / I и 7

Рис. 5. Работа дозатора ленточного припоя:

1 — верхний нож; 2 — рамка выводная;

3 — отверстие для вакуума; 4 — нижний нож; 5 — катушка с припоем; 6 — прижим;

7 — прокладка припоя

ответствующим кулачком. Ленту припоя слегка сматывают с катушки и заправляют в паз пластины в каретке. Чтобы лента не поднималась, установлен фиксатор в виде уголка.

Блок дозирования припоя работает следующим образом (рис. 5). Рамка из кассеты толкателем загружается в направляющую основного тракта. Датчик касания выдает управляющий сигнал на шаговый электродвигатель ДШН-200-2, на оси которого закреплены три кулачка. Вращение кулачков вокруг оси приводит в движение рычаг, который, нагружая планку с закрепленным ножом, отрезает заготовку припоя и опускается вниз. В это время фольга припоя подается горизонтально, располагаясь на пластине каретки дозатора.

Механический прижим опускается на фольгу и фиксирует ее положение. Планка с отрезным ножом продолжает опускаться, касается фольги припоя, а вакуум фиксирует ее под торцевой плоскостью ножа. При последующем опускании ножа фольга отрезается, и готовая прокладка припоя, прижатая вакуумом к ножу, опускается до плоскости кристаллодержателя выводной рамки. Затем срабатывает датчик касания, вакуум отключается, и планка с ножом возвращается вверх в исходное положение. При этом прижим фольги поднимается, а катушка с фольгой совершает горизонтальное перемещение, таким образом подавая полоску фольги на исходную позицию обрезки.

Монтаж кристаллов с приложением вибраций амплитудой 0,1-0, 6 мм в плоскости основания позволяет обеспечить равномерное растекание припоя и до минимума свести дефекты в паяном соединении в виде пустот. В крупносерийном производстве для присоединения кристаллов к корпусам полупроводниковых приборов широкой номенклатуры посредством вибрационной пайки более эффективен автомат ЭМ-4085-14М, в состав которого входят микропроцессорный контроллер, оптико-телевизионная система распознавания кристаллов, линейный шаговый двигатель перемещения кристаллов, двухкоординатный стол, магазинный механизм автоматической подачи корпусов [6]. Производительность автомата для пайки кристаллов размером от 1x1 до 5x5 мм составляет 2000 шт/ч.

Автоматизированный процесс монтажа кристаллов на припой на автомате ЭМ-4085-14М обладает рядом особенностей. Присоединение кристаллов на рамку из медного сплава С^п015, покрытую слоем никеля толщиной 3-6 мкм, осуществлялось на припой SnAgSn при активном движении кристалла в процессе пайки по программируемой траектории. Нагреватель в автомате туннельного типа содержит 12 зон контролируемого и регулируемого нагрева до 450 °С, блок формирования защитно-восстановительной атмосферы смешивает поступающие газы Н2 и Ы2 в смесь 10:90 (формиргаз) для активирующего воздействия на процесс монтажа кристаллов.

Нанесение дозы расплавленного припоя в зону монтажа кристалла осуществляется автоматически проволочным дозатором, при этом программируется не только скорость вращения центрального распределительного вала, но и скорость движения вакуумного захвата и скорость съема кристаллов.

В качестве припоя использовался проволочный припой 01-0 07 мм марки ПСрОСу, намотанный на пластмассовую катушку 1, закрепленную в дозаторе (рис. 6). Подача припоя в зону лужения осуществлялась линейным шаговым двигателем (ЛШД), на который поступают управляющие импульсы; их количество предварительно программируется. При подаче импульсов тока на шаговый двигатель ролик 4 на его валу поворачивался на определенный угол. За счет фрикционного сцепления ролика с подпружиненным роликом 5 проволочный припой вытягивался с катушки 1 и поступал в направляющую трубку 3. При касании припоя с нагретой поверхностью кристаллодержателя 8 образовывалась доза припоя 7 в атмосфере защитного газа, подаваемого по трубке 6.

При расчете дозы припоя учитывалось, что минимальная толщина припоя под кристаллом должна быть 25-30 мкм. В процессе вибрационной пайки часть припоя выдавливается за пределы кристалла, что составляет порядка 30% от полезного объема, тогда общий объем припоя при дозировке равен:

Рис. 6. Дозатор проволочного припоя: а) схема; б) внешний вид

^ = V, + Уп, (3)

где Ук — объем капли припоя; Уп — потери припоя.

При расчете дозы припоя учитывалось, что минимальная толщина припоя под кристаллом должна быть равна 20 мкм, а размеры кристалла — 2,2х1,7 мм. Для дозирования используется проволочный припой 0,5 мм. В процессе вибрационной пайки часть припоя выдавливается за пределы кристалла, что составляет порядка 25% от полезного объема, тогда общий объем припоя при дозировке должен быть равен:

УЕ = Ук+Уп = 0,049+0,0147 =

= 0,064 мм3. (4)

Расстояние I, на которое необходимо переместить проволоку припоя:

I = У?./$пр = 0,064/(3,14x0,252) =

= 0,33 мм, (5)

Рис. 7. Капли припоя до (а) и после (б) растекания: 1 — припой; 2 — покрытие; 3 — кристаллодержатель

Таблица. Коэффициенты растекания припоев при дозировании

Тип Доза, мм Масса, мг Высота, мкм Диаметр, мм Значение Кр Толщина паяного шва, мкм

Бп-Дд-БЬ 0,25 0,36 210 1,00 0,71 25-35

0,35 0,51 200 1,25 0,75

0,45 0,65 180 1,25 0,79

Бп-Дд-Си 0,25 0,36 140 1,95 0,81 15-25

0,35 0,51 130 1,85 0,83

0,45 0,65 120 2,00 0,85

0,25 0,36 190 1,75 0,72

Бп-Си 0,35 0,51 132 1,65 0,82 15-25

0,45 0,65 125 2,13 0,84

Масса, мг

Рис. 8. Коэффициенты растекания припоев в зависимости от массы капли

Рис. 9. Растекание припоев: а) Бп-Дд-БЬ; б) Бп-Дд-Си

где У2 — объем припоя, Бпр — сечение проволоки припоя.

Зная длину проволочного припоя, характерную для определенной дозы, и его плотность, можно рассчитать массу припоя в каждой дозе:

т = Ухр. (6)

Для измерений использовался индикатор часового типа с точностью 2 мкм. Измерялась общая толщина кристалла, припоя и выводной рамки (А+С), после чего определялась толщина паяного соединения dпp = А+С-В (рис. 1).

Исследование растекания припоя при дозировке

Для образования надежного паяного соединения необходимо равномерное растекание припоя и смачивание поверхности кристал-лодержателя. Растекание припоя можно оценивать:

1) замером площади растекания припоя и определением коэффициента растекания Кр.

Кр = /Б0, (7)

где Sp, 30 — площади растекания и дозы припоя соответственно;

2) определением ^ по высоте капли растекшегося припоя:

Кр = Шo+Hp)/Ho, (8)

где H0, Hp — высота капли припоя до и после растекания (рис. 7).

Для данных условий был выбран метод оценки коэффициента растекания припоя по высоте капли, который обеспечивал более достоверные результаты. Высоту капли до растекания находят из условия несмачи-вания поверхности:

(9,

V 98

где р — плотность припоя; g — ускорение силы тяжести, с12 — поверхностное натяжение припоя, ® — угол смачивания.

Для монтажа кристаллов исследовались бессвинцовые припои трех типов: Sn-Ag-Sb, Sn-Ag-Cu и Sn-Cu. В результате исследований установлено, что коэффициенты растекания у припоев Sn-Ag-Sb и Sn-Cu примерно одинаковы, а у припоя Sn-Ag-Cu на 10% больше (таблица). Это можно объяснить тем, что в состав данного проволочного припоя входил слабоактивированный флюс типа RMA. Наилучшие коэффициенты растекания получены при массе капли 0,65 мг (рис. 8) и толщине паяного шва 15-25 мкм.

Для бессвинцовых припоев выбор правильной температуры дозирования по отношению к температуре плавления припоя приводит к сравнимым результатам для иссле-

дованных припоев. Рекомендуется 10%-ный перегрев выше точки плавления припоя [7], а именно: для Sn-Ag-Cu — 266 °С, для Sn-Ag-Sb — 270 °С и для Sn-Cu — 277 °С.

Эти температуры пайки представляют собой оптимальный вариант для смачивания припоем при учете лишь металлургических особенностей процесса пайки (рис. 9).

Заключение

Для обеспечения устойчивости изделий силовой электроники к термоциклическим нагрузкам и высокого выхода годных оптимизирована доза проволочного припоя и его растекание по поверхности кристаллодержателя. Оптимизация процесса дозирования припоя при автоматизированном монтаже кристаллов вибрационной пайкой позволит обеспечить надежный технологический процесс с высокой управляемостью, стабильностью и воспроизводимостью тепловых параметров транзисторов за счет исключения дефектов в виде пустот и непропаянных участков. ■

Литература

1. Ланин В. Л., Достанко А. П., Телеш Е. В. Формирование токопроводящих контактных соединений в изделиях электроники. Минск: Издат. центр БГУ, 2007.

2. Емельянов В. А. Корпусирование интегральных схем. Минск: Полифакт, 1998.

3. Сологуб Л. В., Короткевич А. В. Механические напряжения в кристаллах ИМС после посадки в корпус // Современная радиоэлектроника: научные исследования и подготовка кадров. Материалы Междунар. научно-практ. конф. 23-24 апреля 2008. Минск: МГВРК, 2008.

4. Ланин В. Л., Керенцев А. Ф., Турцевич А. С. Сборка полупроводниковых приборов с бес-свинцовой припойной композицией // Силовая электроника. 2008. № 2.

5. Arsalane S., Kellenberger D. Leading-edge Soft Soldering Dispensing Technology // Electronic Journal Japan. 16.02.2001.

6. Ануфриев Л. П., Керенцев А. Ф., Ланин В. Л. Автоматизированный монтаж кристаллов транзисторов вибрационной пайкой // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 3.

7. Новоттник М. Паяемость бессвинцовых припоев // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 6.