GS Nanotech и Остек-ЭК. Часть 3: разварка — этап Wire Bond. "Из историй запуска в РФ"

"Остек-ЭК" ― подразделение группы компаний ОСТЕК . Мы внедряем новейшие технологии для предприятий, специализирующихся на производстве электронных компонентов (сборочное производство и производство полупроводников).

GS Nanotech и Остек-ЭК.

Часть 3: разварка — этап Wire Bond

В предыдущих статьях GS Nanotech и Остек-ЭК: Часть 1: обработка пластин — этап Pre-Assembly и GS Nanotech и Остек-ЭК. Часть 2: монтаж кристалла на подложку мы говорили, что хотим создать серию публикаций "Микроэлектроника. Истории запуска в РФ":

"Хроники успешного сотрудничества Остек-ЭК не возможны без упоминания компании GS Nanotech. Большой проект по запуску линии корпусирования (установки полупроводниковых кристаллов в корпуса микросхем) пришелся на 2013 год. Проект растянулся на два года: определении технического облика будущего производства, тендер и закупка линии машин, плановые пусконаладочные работы и поэтапная отладка технологии."

GS Nanotech и Остек-ЭК. Часть 3: разварка — этап Wire Bond. "Из историй запуска в РФ"

Предыдущие статьи:

GS Nanotech и Остек-ЭК: Часть 1: обработка пластин — этап Pre-Assembly

GS Nanotech и Остек-ЭК. Часть 2: монтаж кристалла на подложку

Разварка — этап Wire Bond

После того, как кристаллы закреплены на подложках, наступает время для создания электрических соединений между их контактными площадками и контактными площадками подложек. Этот этап принято называть разваркой (в англоязычной литературе — Wire Bonding).

Однако прежде чем перейти к разварке, необходимо подготовить к ней поверхность контактных площадок. Эта операция происходит в установке плазменной очистки.

Плазменная очистка удаляет с металла площадок оксидные пленки и загрязнители, которые препятствуют образованию качественного электрического контакта, снижают его эффективную площадь и уменьшают прочность соединения на отрыв. В зависимости от длины свободного пробега частиц плазма определяется как физическая либо химическая. Для физической плазмы основным механизмом очистки является разрушение связи загрязнителей с поверхностью за счет кинетической энергии частиц рабочего газа. В химической плазме преимущественное значение имеют химические реакции: свободные заряды вступают в химическую реакцию с загрязнителями на поверхности обрабатываемых изделий, образуя летучие побочные продукты, которые удаляются из рабочей камеры установки вместе с рабочим газом.

Разделение плазмы на физическую и химическую в известной степени условно, так как в очистке в той или иной мере участвуют оба механизма — за исключением тех случаев, когда процесс производится в среде инертного газа. Влияние физического воздействия тем выше, чем больше степень ионизации рабочего газа и длина свободного пробега его частиц; эти параметры тем выше, чем больше мощность плазменного генератора и чем ниже давление в рабочей камере. Они так же, как время обработки, легко регулируются, так что технолог имеет все возможности подобрать оптимальный режим для любого конкретного применения.

Для линии монтажа многовыводных микромодулей была поставлена система плазменной очистки АР-1000 . Система предназначена для серийного производства. Большое количество съемных держателей легко настраивается таким образом, чтобы обеспечить оптимальное расположение изделий в камере. Источник питания с рабочей частотой 13,56 МГц оснащен системой автоматического согласования, что обеспечивает не имеющий аналогов уровень повторяемости техпроцесса. Гибкая архитектура полок-держателей предоставляет широкие возможности по ориентации различных контейнеров с изделиями относительно направления плазменного потока. Такие характеристики позволили использовать одну установку во всех операциях плазменной очистки, которые входят в технологический маршрут сборки микромодулей.

Рисунок 1. Установка плазменной очистки АР-1000: a — общий вид; b — рабочая камера
Рисунок 1. Установка плазменной очистки АР-1000: a — общий вид; b — рабочая камера

Для разварки кристаллов при сборке многовыводных микромодулей используется технология ультразвуковой термокомпрессионной сварки. Ее можно назвать развитием ультразвуковой сварки, в ходе которой соединение материалов происходит при одновременном воздействии на свариваемые поверхности высокочастотных механических колебаний, внешнего давления, прикладываемого перпендикулярно к свариваемым поверхностям, и теплового эффекта от ВЧ-колебаний.

В технологии ультразвуковой термокомпрессионной сварки к этим факторам добавляется дополнительный подогрев подложки снизу, со стороны рабочего стола сварочной машины. Стоит отметить, что этот вид сварки хорошо подходит для монтажа многокристальных модулей; основным его достоинством в данном применении считается возможность получения соединения разнородных материалов. Такой сваркой можно соединять золотую проволоку с алюминиевыми, золотыми и серебряными покрытиями контактных площадок; можно также применять медную или золото-палладиевую проволоку.

Перемычку между двумя контактами в микросборочном производстве изготавливают из золотой, медной, серебряной или алюминиевой проволоки. При сборке мкромодулей используется золотая проволока, но на предприятии GS Nanotech отработана и разварка медной проволокой. Сварка ведется методом «шарик-клин». Он состоит в том, что в первой точке петли — так принято называть межсоединение в микросварке — к контактной площадке кристалла присоединяется шарик, образованный путем оплавления проволоки; при этом рабочий инструмент сварочной машины — капилляр — подводит шарик к месту контакта вертикально. Ко второй точке — контактной площадке подложки — капилляр ведет петлю по пологой наклонной траектории, и проволока ложится на площадку горизонтально.

Качество микросварки зависит от множества факторов. Немаловажной является чистота материала проволоки: для задач микросборки используется проволока с содержанием золота от 99,0 до 99,999 %. Проволока должна иметь диаметр вдвое меньший, чем максимально возможный диаметр контакта шариком; следует учитывать, что эта последняя величина заметно превышает диаметр шарика, полученного при оплавлении проволоки, так как в процессе соединения с контактной площадкой на шарик действует усилие прижима, приводящее к его расплющиванию с соответствующим увеличением диаметра.

Поскольку диаметр свободного (до присоединения) шарика зависит от диаметра проволоки, а степень его расширения при приварке к площадке определяется жестко регламентированным режимом сварки, то понятно, что максимальный диаметр проволоки подбирается прежде всего по величине контактных площадок и их шагу. При слишком толстой проволоке габарит шарика после расплющивания может выйти за пределы контактной площадки, создавая опасность паразитной связи с соседним контактом. С другой стороны, при чрезмерно уменьшенном диаметре проволоки шарик и формируемое им пятно контакта будут слишком маленькими, и соединение может оказаться недостаточно прочным. Кроме того, в таком случае участок петли в месте ее отхода от шарика может получить слишком резкий перегиб, создающий опасность разрыва при последующих сборочных операциях либо в ходе эксплуатации.

Опыт освоения новой линии корпусирования, в том числе применительно к технологии Stack Die, показал, что сварочная установка должна обладать рядом специальных характеристик. В ее составе необходимо иметь оптическую камеру с регулируемым фокусным расстоянием, диапазон изменения которого должен соответствовать требуемой высоте «этажерки» кристаллов. Система управления установки должна обеспечивать программирование формы петли, в том числе ультранизкой, и иметь пополняемую базу данных с профилями петель.

Для производства самых современных микромодулей важно, чтобы установка, помимо обычных «шарик-клин» и «клин-клин», была способна производить разварку хотя бы одним из двух методов: «шарик-клин-шарик» (Bond Ball on Stitch — BBOS) или «обратная петля» (Reverse Bonding, или Ball Stitch on Ball — BSOB).

Первый из них состоит в приваривании шарика поверх уже произведенного соединения клином. Это увеличивает надежность соединения, за что такой режим часто называют «закрепляющим шариком».

По второму методу установка сначала приваривает шарик во второй точке петли, формируя при этом у него плоскую вершину, а затем переходит к первой точке и выполняет операции в обычной последовательности метода «шарик-клин»; в русскоязычной литературе этот процесс часто называют «разварка перемычки на заранее установленный шарик».

Последний метод «обратная петля» (Reverse Bonding, или Ball Stitch on Ball — BSOB) оценивается как очень перспективный. Он существенно повышает прочность соединения второй точки сварки: тесты на отрыв показали, что обрыв проволоки происходит в месте шейки сварки, либо рвется сама проволока — но практически никогда не происходит разрушения собственно соединения проволоки с контактной площадкой. Методом BSOB можно вести связь прямо с одного кристалла на другой, без промежуточного стежка, что позволяет ставить кристаллы в многокристальной сборке очень близко друг к другу; это самый лучший вариант сварки при работе с многоуровневыми сборками.

Всем требованиям, предъявляемым к автомату разварки для линии сборки многовыводных микромодулей, соответствует установка IConn компании Kulicke & Soffa. Её основное назначение — разварка кристаллов золотой проволокой методом «шарик-клин», но производитель в качестве опции предлагает комплект для сварки медной проволокой, который был также приобретен и освоен. Система характеризуется большой рабочей областью — 56 × 80 мм, — поэтому большинство компонентов могут быть разварены за один раз без переустановки. Двухдиапазонный преобразователь частоты позволяет выбрать две частоты для каждого сварного соединения. Точки разварки петли позиционируются с точностью ±2 мкм, встроенный датчик измерения ее высоты обеспечивает возможность получения низких петель высотой до 50 мкм, а режимы формирования петель с большим числом контролируемых параметров предоставляют максимальную управляемость и гибкость при задании необходимых форм петель. Благодаря оптической системе с диапазоном фокусировки 2,5 мм на установке IConn можно работать со стеками кристаллов многоуровневых сборок.

Рисунок 2. Установка разварки кристаллов IConn
Рисунок 2. Установка разварки кристаллов IConn
Рисунок 3. Разрушающий контроль разварки: a – отрыв петли; b — сдвиг шарика; c – сдвиг клина
Рисунок 3. Разрушающий контроль разварки: a – отрыв петли; b — сдвиг шарика; c – сдвиг клина

Для проверки качества разварки используются как неразрушающие, так и разрушающие методы контроля. Неразрушающий — это визуальное обследование с помощью оптического микроскопа. Разрушающий контроль применяется на этапе отладки процесса разварки каждого нового изделия, а также для подтверждения его стабильности — периодически на выборочных образцах.

Разрушающий контроль — это проверка на отрыв петли от контактной площадки либо ее разрыв и проверка на сдвиг (срез). Отметим, что для получения точной информации о прочности сварного соединения на сдвиг необходим визуальный анализ места разрушения. Соединение может быть разрушено из-за отрыва шарика (или клина) от контактной площадки; отрыва контактной площадки от поверхности кристалла; разрыва шарика; разрушения зоны, к которой приварен шарик, — контактной площадки или площадки вместе с частью кристалла. Понятно, что к процессу сварки имеют отношение только первый и третий эффекты, а остальные свидетельствуют как раз о хорошем качестве сварного соединения.

Для проведения разрушающего контроля применили установку 4000Plus производства компании Nordson DAGE.

Рисунок 4. Установка тестирования микросоединений DAGE 4000Plus
Рисунок 4. Установка тестирования микросоединений DAGE 4000Plus

Для установки предлагается набор из более чем 25 картриджей, а также стандартная и специальная оснастка. Разнообразие картриджей позволяет решить любую из задач: для испытаний на отрыв предлагаются картриджи с верхним диапазоном усилия от 0,25 г до 200 кг, а на сдвиг — до 500 кг. Поддерживается режим направленного разрыва, а на сдвиг можно проверять не только сварные соединения, но и кристаллы. Помимо основной, в составе установки имеется дополнительная система захвата изображения, предназначенная для быстрого обнаружения неисправности и получения изображений для дальнейшего анализа, которая поддерживает также и измерительную функцию. Программное обеспечение может организовать циклический режим нагружения, что позволяет проводить усталостные тесты, необходимые для оценки надежности сварных и паяных соединений.

Рисунок 5. Экран управления испытаниями установки DAGE 4000Plus.
Как можно видеть из таблицы в правой нижней части экрана, частота отрывов контактной площадки при испытаниях на сдвиг соизмерима с частотой отрыва шариков
Рисунок 5. Экран управления испытаниями установки DAGE 4000Plus. Как можно видеть из таблицы в правой нижней части экрана, частота отрывов контактной площадки при испытаниях на сдвиг соизмерима с частотой отрыва шариков

Подписывайтесь на наш канал на  Яндекс.Дзен

Продолжение следует...

Cтатьи по теме:

GS Nanotech и Остек-ЭК: Часть 1: обработка пластин — этап Pre-Assembly

GS Nanotech и Остек-ЭК. Часть 2: монтаж кристалла на подложку