Электромонтаж бескорпусных кристаллов ИС заключается в электрическом соединении контактных монтажных площадок на поверхности кристалла с контактными монтажными площадками на поверхности коммутационной платы. Обычно кристалл предварительно фиксируется на плате с помощью клея или припоя. Во втором случае групповая пластина до разделения ее на отдельные кристаллы должна быть металлизирована со стороны, противоположной структурам, металлом, который хорошо смачивается припоем.
В производстве нашли применение три способа электромонтажа: с помощью гибких проволочных перемычек круглого сечения (проволочный монтаж), с помощью гибких ленточных перемычек прямоугольного сечения (ленточный монтаж) и с помощью жестких объемных выводов, предварительно выращенных на кристалле.
Достоинством проволочного монтажа является возможность размещения перемычек при произвольном расположении любого количества монтажных площадок на коммутационной плате, т.е. гибкость в процессе ее конструирования. Недостаток заключается в высокой трудоемкости монтажа, т.к. сварные соединения можно получать только последовательно, индивидуально.
Отказ от проволоки и переход к плоским ленточным перемычкам позволяет изготовить их заранее и одновременно вне кристалла методом избирательного травления (фотолитографии) ленты, однако взаимное расположение перемычек должно быть жестко предопределено расположением монтажных площадок на кристалле и плате.
Использование ориентированных ленточных перемычек позволяет существенно снизить трудоемкость монтажа. Для групповой сварки могут быть использованы термокомпрессионный и ультразвуковой способы.
К недостатку следует отнести ограничения, накладываемые на конструкцию коммутационной платы и самого кристалла по числу и характеру расположения монтажных площадок. Для смягчения этого недостатка приходится разрабатывать и изготавливать стандартный ряд систем перемычек, отличающихся числом и шагом расположения.
Жесткий объемный вывод - на кристаллах заранее и одновременно до разделения групповой пластины формируются жесткие объемные выводы. В первом приближении они представляют собой выступы полусферической формы высотой порядка 60мкм и покрыты припоем.
В отличие от проволочного и ленточного монтажа объемные выводы соединяют с площадками платы пайкой, а кристалл при этом оказывается в перевернутом положении, т.е. структурами вниз. К достоинствам монтажа с помощью жестких объемных выводов относится: сокращение числа соединений вдвое, что повышает надежность изделия при эксплуатации; сокращение трудоемкости за счет одновременного присоединения всех выводов; уменьшение монтажной площади до площади, занимаемой кристаллом; отсутствие необходимости предварительного механического крепления кристалла; малая протяженность межкомпонентных соединений, что сводит к минимуму величину их индуктивности.
Ограничением для использования данного метода является необходимость применения коммутационных плат на основе тонких пленок с использованием фотолитографии, т.е. высокого разрешения, т.к. размеры площадок и шаг их расположения на плате и кристалле должны совпадать.
Специальные вопросы герметизации
Очистка поверхности кристалла
Наиболее критичной стадией, которой подвергается кристалл, является очистка перед монтажом, герметизирующим покрытием и окончательной герметизацией крышки корпуса. Процесс очистки должен быть химически совместим с металлическими слоями на поверхности кристалла. При очистке обычно преследуют две цели. Первая - удаление органических частиц, которые могут повлиять на качество соединения; для этого обычно требуются органические растворители. Вторая - удаление ионов, которые вызывают коррозию во время эксплуатации прибора или приводят иногда к накоплению поверхностного заряда. Вода является превосходным растворителем для ионных частиц.
Герметизация крышки корпуса
Основной целью герметизации корпуса является защита от внешних загрязнений во время функционирования прибора. Любые загрязнения, присутствующие на поверхности кристалла, должны быть удалены до приемлемого уровня перед герметизацией или во время этой операции. Корпусы могут быть герметизированы стеклом, металлами или полимерами. Использованное здесь определение герметичности подразумевает не только выдерживание испытаний корпусом на вакуумную утечку, но и исключение возможности загрязнения из окружающей среды в течение длительного времени.
Почти для всех высококачественных корпусов герметизацию выполняют стеклом или металлом. Ранее герметизацию стеклом использовали для керамических плоских корпусов с двухрядным расположением вертикальных выводов, где процесс герметизации в основном тот же, что и при герметизации крышки корпуса. Герметизация вакуумно-плотным металлом, исключающая влияние окружающей среды, может быть произведена без особых осложнений. Реальным затруднением является освобождение корпуса от загрязнений, особенно влаги, перед процессом герметизации.
Определенные проблемы могут возникать при низких рабочих температурах, когда происходит конденсация влаги внутри корпуса. Последующие реакции в присутствии небольшого количества галогенов могут привести к коррозии алюминия.
Герметизирующее покрытие поверхности кристалла
Часто выполнение герметизации некоторых типов корпусов не представляется возможным из-за высокой стоимости или трудности исполнения. В этих случаях в дополнение к герметизации крышки полимером для защиты алюминия от атмосферных загрязнений, таких как влага, может быть использовано покрытие поверхности кристалла. Для этой цели очень эффективны кремнийорганические соединения. Тонкий слой кремнийорганического соединения (0,25 мкм) не является диффузионным барьером для влаги. Полимер должен предотвращать конденсацию влаги на поверхности кристалла и таким образом уменьшать токи утечки между двумя соседними металлическими дорожками.
Кремнийорганические герметики успешно используются в электронной промышленности для приборов как с алюминиевой, так и золотой металлизацией. Однако этот метод не нашел широкого применения из-за малого предела плотности проводящих дорожек ИС, ниже которого эти материалы не эффективны.
Защита от альфа-частиц
Альфа-частицы испускаются при распаде атомов урана и тория, содержащихся в качестве примесей в материале корпуса. Ужесточение принципов проектирования предполагает, что новые приборы будут еще более чувствительны к воздействию альфа-частиц. Поскольку альфа-частицы имеют низкую проникающую способность в твердых телах, в качестве покрытия кремниевого кристалла, поглощающего альфа-частицы, предложены материалы с низким уровнем испусканием альфа-частиц. Уровень испускания альфа-частиц, равный 0,001 частица/(см2·ч) (наименьший ожидаемый уровень), достигнут при использовании в качестве покрытия кристалла кремнийорганических соединений.
Проблемы герметизации
1. Быстрое увеличение числа элементов на кристалле
2. Расширение функциональных возможностей ИС
Быстрое увеличение числа элементов на кристалле ИС и улучшение рабочих характеристик этих элементов создают основные трудности для проектировщиков корпусов. Расширение функциональных возможностей ИС, естественно, приводит к увеличению числа входов-выходов на кристалле, и, следовательно, к возрастанию числа выводов корпуса. Для кристаллов с повышенным числом входов-выходов требуются корпусы большего размера, которые часто рассеивают большое количества тепла.
К микросварке прибегают при проволочном и ленточном монтаже. Ввиду малых толщин соединяемых элементов (порядка 1,5мкм для площадки и несколько десятков мкм для перемычки) сварка должна выполняться без расплавления соединяемых элементов. Таким образом, все разновидности микросварки представляют собой сварку давлением.
В производстве нашли применение следующие разновидности микросварки: термокомпрессионная сварка (ТКС); сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН); электроконтактная односторонняя сварка (ЭКОС); ультразвуковая сварка (УЗС) (рис. 9).
Основная тенденция развития методов микросварки - локализация тепла в зоне соединения и уменьшение теплового воздействия на изделие в целом, что позволяет повысить температуру сварки и применять для перемычек менее пластичные материалы (например, медь). Независимо от вида микросварки в случае проволочного монтажа инструмент должен быть снабжен "капилляром" для направления проволоки под рабочую часть инструмента.
При ТКС (рис. 9,а) нагреву подвергают все изделие или инструмент (или то и другое), обеспечивая температуру порядка 400°C.
В случае СКИН (рис. 9,б) разогрев зоны соединения осуществляется только в момент сварки. Это достигается V-образной конструкцией инструмента, через который пропускается амплитудно-модулированный импульс тока с несущей частотой 0,5-1,5кГц. В результате температуру в зоне сварки можно повысить до 650°C.
Инструмент для ЭКОС (рис. 9,в) состоит из двух частей, разделенных изолирующей термостойкой прокладкой, которые являются составной частью электрической цепи. Последняя замыкается лишь при контакте с перемычкой. Таким образом, импульс тока проходит через свариваемый участок перемычки, причем тепло выделяется в зоне контакта. Температура в зоне сварки может быть повышена до 800°C, что дает возможность применять медные перемычки.
Ультразвуковая сварка может выполняться без специально организованного нагрева, т.к. тепло, необходимое для повышения пластичности, выделяется в результате трения перемычки о площадку. Сварочный инструмент жестко закрепляется в концентраторе магнитострикционной головки (рис. 9,г) и вместе с ним совершает продольные колебательные движения, "втирая" перемычку в площадку. Частота ультразвуковых колебаний выбирается в пределах 20-60кГц, а амплитуда - 0,5-2мкм.