CC BY
390
УДК 621.396.6
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ АЛЮМИНИЕВОЙ ПРОВОЛОКИ С ЗОЛОТЫМ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ 3Б ИЗДЕЛИЙ
В.В. Зенин, Д.И. Бокарев, А.А. Стоянов, С.Ю. Чистяков
Рассмотрены конструктивно-технологические особенности формирования качественных соединений алюминий-золото в производстве полупроводниковых, в том числе 3D изделий. Проведена оптимизация режима ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки диаметром 35 мкм с золотым гальваническим покрытием толщиной 3 мкм корпусов. Максимальная теоретическая прочность соединений Al-Au определена при следующих режимах УЗС: 25 мс (время сварки); 30 сН (усилие сжатия); 30 (мощность УЗК в относительных единицах)
Ключевые слова: 3D изделия, покрытия, контакты, оптимизация режимов УЗС
Введение.Повышение функциональности микросхем (интегральной, механической, оптической и биологической) с улучшением их характеристик, повышением производительности и снижением себестоимости возможно с применением 3Б интеграции. Анализ покрытий контактных площадок кристаллов и траверс корпусов полупроводниковых изделий (ППИ) показал, что для формирования внутренних соединений в 3Б изделиях необходимо в первую очередь рассматривать следующие покрытия: на кристаллах - алюминиевую и медную металлизацию, а на траверсах корпусов - золото, серебро, никель и его сплавы, гальваническое алюминирование [1].
В технологии производства изделий микроэлектроники широко применяется гальваническое золочение корпусов ППИ. Известно [2], что золото легко осаждается на меди, никеле, серебре и при соответствующей подготовке поверхности на молибдене, вольфраме, алюминии, титане, коваре, кремнии и германии. Для осаждения золота в основном применяют электролиты, которые делятся на три подгруппы: щелочные, нейтральные и кислые.
Высокий электродный потенциал золота обусловливает то, что микросварные соединения золотой проволоки с алюминиевой металлизацией кристаллов и алюминиевой проволоки с пленкой золота траверс корпусов являются активной электрохимической парой с разностью потенциалов 3,16 В. Это способствует при наличии остатков влаги в корпусе электрохи-
Зенин Виктор Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 89601369980
Бокарев Дмитрий Игоревич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 278-38-84
Стоянов Андрей Анатольевич - ВГТУ, аспирант, тел. 89081349269
Чистяков Сергей Юрьевич - ОАО «ВЗПП-Сборка», зам. главного инженера, тел. 89042415515
мической коррозии с разрушением контактов микросварных соединений.
При изготовлении ППИ одним из наиболее распространенных гальванических покрытий корпусов является чистое золото (99,9 %). В то же время следует отметить, что золотое покрытие повышает себестоимость выпускаемых изделий. Кроме того, чистое золото, как было отмечено ранее, имеет определенные недостатки. Поэтому вместо чистого золота используют сплавы на основе этого металла. В изделиях микроэлектроники электролитические сплавы на основе золота находят широкое применение в производстве [3].
Для монтажа внутренних соединений в производстве ППИ широко используется алюминиевая проволока микронных размеров, т.е. формируются контакты Al-Al на кристалле и Al-Au на траверсах корпусов. Золото и алюминий имеют хорошую взаимную свариваемость при отсутствии толстых оксидных пленок на алюминии. Известно [4], что микросоединенияЛ^ Auтермодинамически неустойчивы из-за образования в контакте этих металлов низкотемпературных интерметаллических соединений. Эти соединения появляются как при термокомпрессионной сварке, так и при ультразвуковой сварке и продолжают расти при повышенной температуре в процессе технологических обработок и эксплуатации приборов.
Коррозионный потенциал пары Al-Au нестабилен во времени, что обусловлено неустойчивым пассивным состоянием анодной составляющей, т.е. алюминиевой проволоки. Известен способ защиты от коррозии, по которому контакты Al-Au покрывают лаком. Пленка лака наносится на контакты, затем осуществляется сушка при определенной температуре, а потом - герметизация полупроводниковых изделий. Недостатком данного способа является то, что влага проникает через пленку лака, которая имеет микротрещины, поры от раствори-
теля и другие дефекты. Кроме того, размер молекул воды (0,3 нм) меньше межмолекулярных пор многих полимеров (1-10 нм). Повысить коррозионную стойкость контактов А1-Аи можно обрабатывая их перед герметизацией ППИ ингибиторами следующего состава, вес. % [5]: гексаметиленимин 60-70,
метанитробензоатгексаметиленимин15-20, триэтиламин 15-20. Исследование качества и надежности контактов А1-Аи проводились на протяжении нескольких десятилетий. Пожалуй, трудно найти специалиста по сборке изделий ППИ, который бы не занимался данными микросварными соединениями.
Анализ существующих методов формирования соединений с использованием проволочных выводов в производстве ППИ показал [6], что на операции сборки 3D изделий целесообразно использовать следующие методы сварки: ультразвуковую, термозвуковую, расщепленным электродом и с косвенным импульсным нагревом. Следует отметить, что одним из основных методов формирования контактов в 3D изделиях является ультразвуковая сварка (УЗС). Основными параметрами процесса при этом методе микросварки являются амплитуда колебаний рабочего торца сварочного инструмента, которая зависит от электрической мощности УЗГ и конструктивного исполнения колебательной системы; усилие сжатия свариваемых элементов; длительность включения ультразвуковых колебаний (время сварки).
В работе [7] рассмотрено влияние давления, мощности, времени сварки и шероховатости поверхности на прочность микросоединений при УЗС. Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показали, что прочность микросоединений, в основном, зависит от времени сварки.
Выбору оптимальных режимов УЗС алюминиевой проволоки с золотым гальваническим покрытием корпусов посвящена данная статья.
Методика проведения эксперимента.
Для оценки влияния режимов УЗС на прочность соединений проводились исследования по выбору оптимальных усилий сжатия, времени и мощности УЗГ. Сварка выполнялась на установке ЭМ-4370.
Режимы УЗС изменялись в следующих пределах: усилие сжатия 30-40 гс, время 15-25 мс, 30-50(мощность УЗГ в относительных единицах). В качестве материала выводов применялась алюминиевая проволока диаметром 35 мкм. На каждом режиме разваривалось по 25
проволочных перемычек. Исследования прочности микросоединений проводились на пластинах, покрытых слоем золота. Толщина золотой металлизации составляла 3 мкм. Сварка выполнялась на установке ЭМ-4370. На рис. 1 представлен внешний вид проволочных перемычек для проведения эксперимента.
На рис. 2 представлены фотографии сварных соединений первой (а) и второй (б) точек свар
Рис. 1. Внешний вид сформированных проволочных перемычек алюминиевой проволоки с золотым гальваническим покрытием
а)
б)
Рис. 2. Фотографии сварных соединений первой (а) и второй (б) точек сварки
Испытания на прочность проводились путем разрушения микросоединений за середину петли с одновременным анализом характера разрушения.
Планирование эксперимента. Необходимо получить математическую модель процесса УЗС алюминиевых проволочных выводов с золотым покрытием корпуса с целью определения оптимальных режимов сварки. Представим процесс УЗС в виде "черного ящика" (рис. 3). Хь Х2,..., Хп - входные параметры, действующие в исследуемом процессе. У - выход системы, называемый функцией отклика, явля-
ется функцией входных параметров. Задача выбора оптимальных режимов УЗС заключается в следующем: найти математическую модель процесса в виде некоторой функции У=/(Х1, Х2,..., ХП) и значения Х, обеспечивающие экстремум (максимум) функции.
XI
Х2
хп
-^ Объект
черный ящик
-
Рис. 3. Модель для оптимизации режимов УЗС
Варьировались три фактора: время сварки (Х1), усилие сжатия инструмента (Х2) и мощность УЗГ (Х3). Функцией отклика является прочность соединений. Поскольку в эксперименте используются три фактора, а предполагаемая математическая модель процесса УЗС линейна, то она соответствует полиному вида
У=Ь0+Ь1х1+Ь2х2+Ь3х3+Ь12х1х2+Ь13х1х3+
+623X2X3+6123X1X2X3, (1)
где У -значение функции отклика; х1х2х3 - значения исследуемых факторов; Ь0 - значение функции отклика в центре плана;
Ь1, Ь2, Ь3 - коэффициенты, характеризующие степень влияния факторов на функцию отклика; Ь12, Ь13, Ь23, Ь123 - коэффициенты, характеризующие взаимовлияние факторов.
При варьировании каждым из трех факторов (к=3) на двух уровнях (табл. 1) число опытов N будет составлять Л^=2к=23=8. Для каждой комбинации факторов было проведено 25 параллельных опытов. Для проведения эксперимента по известной методике [8] составлена матрица планирования полного факторного эксперимента (ПФЭ) типа 23, представленная в безразмерной форме в табл. 2 и в числовом выражении в табл. 3.
Таблица 1
Уровни варьирования Параметры
Х1, мс Х2, сН Х3
Основной 20 35 40
Верхний 25 40 50
Нижний 15 30 30
Интервал 5 5 10
варьирования
Для удобства обработки результатов проводилось преобразование значений управляемых переменных (учитываемых в эксперименте факторов Х7) к безразмерным величинам
Хгб=(ХгХ0)/АХъ (2)
где Х7 - текущее значение 7 -го фактора; Хо7 - базовое или начальное значение -го фактора в центре плана; АХ-1 - значение интервала варьирования по 7-му фактору.
Таблица 2 Матрица планирования ПФЭ типа 23
N опыта Ю О * ю ю ю СО ю X ю X ю 3 X ю X ю 3 ><1 ю ю 3 х3 ю X ю X Экспериментальная цюч-ноаь У, сН Теоретическая прочно ст>УЛ сН
1 + - - - + + + - 7,44 2,82 7,22
2 + + - - - - + + 7,5 1,46 7,45
3 + - + - - + - + 4,74 0,65 4,96
4 + + + - + - - - 5,14 0,92 5,19
5 + - - + + - - + 4,96 0,48 4,91
6 + + - + - + - - 3,76 1,98 4,07
7 + - + + - - + - 2,6 0,21 2,65
8 + + + + + + + + 2,12 0,73 1,81
Таблица 3
а т ы Время т, Усилие Мощность УЗГ
С сН в относительных
о мс
единицах
1 15 30 30
2 25 30 30
3 15 40 30
4 25 40 30
5 15 30 50
6 25 30 50
7 15 40 50
8 25 40 50
Проведение эксперимента. Результаты измерения прочности соединений приведены в табл. 2. Среднее значение функции отклика определялось по формуле
_ 2 УХ7 УХ=1-
~ гп
(3)
где £=1,...,п - номера опытов; 7 - номер параллельного опыта в строке; у^- значение функции отклика, соответствующее параллельному опыту; п - число параллельных опытов (п=25).
Обработка и анализ результатов эксперимента. Проведена оценка однородности дисперсий функции отклика в соответствии с критерием Кохрена
п
а
наибольшее значение
(4)
Х=1
а =
22222222 + 5 2 + + 54 + + % + ^ + ^
2,82
2,82 +1,46 + 0,65 + 0,93 + 0,48 +1,98 + 0,21 + 0,73 = 0,304
2 1 п - 2 где х= х I (у^-ух) •
п _
Ее результаты (для N=8 и п=25: отах = = 0,304< 0,315 = акрпри критерии риска р=0,05) позволяют сделать вывод о воспроизводимости эксперимента, а отклонения значений функции отклика носят случайный характер и вызваны влиянием неконтролируемых и неуправляемых факторов.
Вычислены коэффициенты полинома по формуле
N
Ъ/ = I хХ/ух/N, Х=1
(5)
где Ъ, - коэффициент полинома, соответствующий /-фактору; х^-значение безразмерного фактора в матрице планирования, соответствующего ¿-строке и /-столбцу; у- значение функции отклика в ¿-опыте.
Ъо 4,7825 Ъ12 0,1325
Ъ1 -0,1525 Ъ13 -0,2675
Ъ2 -1,1325 Ъ23 0,1325
Ъ3 -1,4225 Ъ123 0,0475
Проверка значимости коэффициентов с помощью /-критерия Стьюдента
г, = Ъ /ТТЪ< /Кр, (6)
где 5 2 {ъ} = 5 2 {у}/ nN = 0,005784896,
2п N 2 52{у}= I Х/N = 1,156979167,
Х=1 х
го 62,87922888 г12 1,742080047
г1 -2,005035526 г13 -3,51702953
г2 -14,88985399 г23 1,742080047
г3 -18,70270843 г123 0,624519262
Причислестепенейсвободы^П-7,)=8(25-1)=192 и критерии риска р=0,05 - гр = 1,96,
поэтому коэффициенты Ъ12,Ъ23, Ъ123, оценивающие взаимовлияние факторов, признаны статистически незначимыми, поэтому соответствующие им члены полинома исключаются из уравнения математической модели процесса. Остальные коэффициенты имеют следующие
значения: Ъо=4,78; Ъ1= -0,15; Ъ2= -1,13; Ъ3= -1,42; Ъ13= -0,27. Наибольшее влияние на функцию отклика оказывает третий фактор, а именно-мощность УЗГ. Наименьшее - первый фактор (время УЗС) и взаимовлияние первого и третьего факторов. Коэффициенты Ъ12,Ъ23, как следует из численных значений критерия Стьюдента, находятся на границе значимости и могли быть включены в математическую модель для повышения точности.
Таким образом, математическая модель в заданной области с учетом значимости коэффициентов полинома имеет вид У= Ъ^+Ъ1х1+Ъ2х2+Ъ3х3+Ъ13 Х1Х3, у= 4,78-0,15х1-1,13х2-1,42х3-0,27х1х3.(7) Теоретические значения прочности соединений для каждого опыта удг, предсказываемые математической моделью, вычислены и представлены в табл. 2.
Проведена проверка адекватности математической модели результатам эксперимента. По формуле, предложенной в [8], вычислена дисперсия адекватности
1 N _
= 7Т"71(ух-Ух)2 = 0,09965, (8)
N — и х=1
где и - число членов аппроксимирующего полинома (в нашем случае и =5),которая не превышает дисперсию опыта ^{у}, следовательно, можно сделать вывод о том, что полученная математическая модель адекватно представляет результаты эксперимента.
Полученная функция исследована на экстремум. Максимальное значение прочности соединений достигается при следующих значениях безразмерных факторов: х1опт= +1; х2опт= -1; х3опт= -1. Следовательно, оптимальными параметрами процесса УЗС будут следующие значения: топт=25 мс; Qопт=30 сН; Мопт=30 (мощность УЗГ в относительных единицах). Максимальная теоретическая проч-ность,предсказываемая математической моделью, составляет 7,45 сН.
На основе полученноймодели(7) построены графические зависимости прочности соединений от параметров режима УЗС,которые представленына рис. 4-6. При этом для определения влияния каждого из параметров два остальных принимались постоянными и равными их оптимальному значению. Из представленных зависимостей видно, что увеличение времени сварки способствует повышению прочности сварных соединений,что и подтверждается в работе [7]. С повышением усилия сжатия инструмента и мощности УЗГ прочность снижается.
N
5
7,8
х
и
7,6
I 7,4 х
а) 72
и х>
& 7 о
о 6,8 о. 1=
6,6
5 10 15 20 25 30 35
Время сварки, мс Рис. 4. Зависимость прочности соединений от времени сварки при Оопт=30 сН и Лг0„,„=30 12
X
и
Ю
X
| 8
и
4
и ч-О х
§ 2 о. п
0
20 25 30 35 40 45 50
Усилие сжатия инструмента, сН Рис. 5. Зависимость прочности соединений от усилия сжатия инструмента притопт=25 мс и N„¡„=30
Влияние давления и мощности УЗГ на прочность соединений можно объяснить следующим образом. При малых давлениях прочность соединений зависит от времени УЗС. С повышением давления сварные соединения прочнее при меньшемвремени сварки. При больших величинах усилия и мощности в сочетании с продолжительным временем сварки прочность соединений снижается вследствие значительной
деформацииприсоединяемой проволокии
приваривания ее к сварочному инструменту, формирования «шейки» в месте перехода сварного соединения в проволоку. При данных параметрах также наблюдался характер разрушения в виде отслоения.
12
х
и
>£ Ю
S
| 8
5 2 а. х
0
10 20 30 40 50 60 70
Мощность УЗГ
Рис. 6. Зависимость прочности соединений от мощности УЗГ при топт=25 мс и Qonm=30 сН
Литература
1. Покрытия контактных площадок кристаллов и траверс корпусов для микросварки внутренних выводов 3D изделий[Текст]/ В.В.Зенин, А.А.Стоянов, С.В.Петров, Б.А.Спиридонов // Микроэлектроника.- 2013.- Т.42.- №5.-С. 361-374.
2. Лайнер, В.И. Защитные покрытия метал-лов[Текст] / В.И. Лайнер.- М.: Металлургия, 1974.- 540 с.
3. Зенин, В.В. Золото в технологии производства полупроводниковых изделий [Текст]/ В.В.Зенин, Б.А. Спиридонов, С.Ю. Чистяков // Вестник Воронежского государственного технического университета.- 2010.- Т.6.-№6.- С. 67-72.
4. Зенин, В.В. Исследование микросварных соединений алюминиевой проволоки с золотым гальваническим покрытием корпусов изделий электронной техники [Текст]/ В.В.Зенин, Д.И.Бокарев, Ю.Е.Сегал // Известия вузов. Сер. Электроника.- 1999.- №5.- С. 67-74.
5. Патент 2166000 Российская Федерация, C2 C23F 11/00, 11/14. Способ защиты от коррозии микросварных контактов алюминий-золото [Текст]/ В.В. Зенин, Б.А. Спиридонов, Ю.Е. Сегал, А.И. Колычев, Д.И. Бокарев. заявл. 11.06.1999; опубл. 27.04.2001,Бюл. №12.
6. Сборка 3D-изделий с использованием проволочных выводов [Текст]/ В.В.Зенин, А.А.Стоянов,С.В.Петров, С.Ю.Чистяков // Микроэлектроника.- 2014.- Т.43.- №1.- С. 1-14.
7.Jeng Yean-Ren, HorngJeng-Haur. A microcontact approach for ultrasonic wire bonding in microelectronics [Text] /Yean-Ren, HorngJeng-Haur// Trans. ASME.J. Tribol.- 2001.-V. 123.- №4.- P. 725-731.
8. Современный эксперимент: подготовка, проведение, анализ результатов [Текст]/ под.ред. О.П. Глудкина.-М.: Радио и связь, 1997.- 232 с.
Воронежский государственный технический университет ОАО «ВЗПП-Сборка», г. Воронеж
OPTIMIZATIONOFMODESOFULTRASONICWELDINGOFALUMINUMWIRE WITH GOLD PLATED 3D DEVICES
V.V. Zenin, D.I. Bokarev, A.A. Stoyanov, S.Ju. Chistyakov
Considered design and technological features of the formation of high-quality compounds, aluminum-gold in semiconductor manufacturing, including 3D devices.Optimization mode ultrasonic welding of aluminum wire with a diameter of 35 microns togold plated with 3 microns of packages. The maximum theoretical strength of connections Al-Au is defined under the following conditions applies: 25 ms (welding time); 30 cN (compression force); 30 (power ultrasonic inspection in relative units)
Keywords: 3D devices, coatings, contacts, optimization modes ultrasonic welding
