Свариваемость гальванических покрытий для изделий электроники

№ 5’2008
PDF версия
Авторы статьи имеют значительный опыт работы в области исследования свойств гальванических покрытий для изделий электроники. Для эффективной замены драгоценных металлов авторами разработаны устройства и активированные процессы ультразвуковой микросварки. Представленная информация будет полезна специалистам, работающим в области сборки изделий электроники.

Александр Хмыль
Владимир Ланин

Свойства покрытий, определяющие
качество сварных соединений

Широко используемым и трудоемким методом
(50–70% общей трудоемкости изготовления интегральных микросхем) формирования соединений кристаллов с контактными площадками корпуса является проволочный микромонтаж [1], для которого
применяют проволоку диаметром 20–60 мкм из золота, алюминия и его сплавов, значительно режеиз сплава палладия с никелем, либо никеля или меди.
Для образования микросоединений в ИМС используют термокомпрессионную (ТКС), ультразвуковую
(УЗ) и термозвуковую (ТЗ) микросварку. Процесс
УЗ-микросварки сопровождается введением механических колебаний УЗ-частоты в зону контакта, что
приводит к пластической деформации проволочного вывода, разрушению и удалению оксидных пленок с созданием атомно-чистых ювенильных поверхностей, интенсифицирует процесс образования активных центров при формировании микросварного
соединения без большой деформации проволоки
и значительного нагрева. При ТЗ-микросварке соединения формируются в результате совместного
действия УЗ-энергии, усилия нагружения инструмента и температуры нагрева до 200–220 °С, что повышает воспроизводимость качества соединений
и устраняет критичность к колебаниям свойств соединяемых материалов [2].

На надежность микросварных соединений влияют:
физико-механические свойства материала контактных площадок, геометрическая форма инструмента,
активация зоны контакта при сварке. Акустические
условия в зоне УЗ-сварки зависят от морфологии покрытий контактных площадок. Наметившийся в промышленности отказ от применения золотого покрытия и переход к никелевым покрытиям связан с поиском оптимальных условий микросварки с ними [3].
При этом внимание уделяется таким характеристикам покрытий, как величина зерна, пористость,
концентрация неметаллических примесей, микрогеометрия поверхности. Для образования прочного и надежного микросварного соединения требуется поверхность покрытия контактных площадок
с малой высотой микронеровностей и, возможно,
меньшим значением внутренних напряжений в покрытии [4].

Большие перспективы имеет осаждение блестящих никелевых покрытий на корпуса ИМС в нестационарных условиях электролиза [5]. При чередовании прямого и обратного импульсов тока при определенном соотношении длительностей импульсов
достигается положительный эффект в снижении
средней высоты микронеровностей поверхности покрытий до 1,5–2,0 мкм, что увеличивает прочность
соединений. При чередовании реверсного и постоянного токов обеспечивается высокое качество покрытий, увеличивается прочность соединений, а количество дефектов — минимально. Качество УЗ-микросварки зависит также от очистки соединяемых
поверхностей. Наличие оксидных и адсорбированных пленок приводит к дестабилизации процесса микросварки, ухудшению качества и надежности сварных соединений.

Активация процесса УЗ-микросварки

Исследовано влияние режимов осаждения и состава электролита гальванических покрытий на прочность микросварных соединений в ИМС. Алюминиевую проволоку марки А999К0,9 толщиной 35 мкм
разваривали между контактными площадками траверс медного ленточного носителя с различными
гальваническии покрытиями на автомате ультразвуковой микросварки ЭМ-4020П при мощности УЗ-колебаний 0,1–0,15 Вт, частоте 66 ±1 кГц, времени сварки 0,16–0,48 с, внешней статической нагрузке 20–60 сН.
Контроль прочности микросварных соединений проводился на установке 12МПО-1 при скорости нагружения до 10 сН/с с цифровой фиксацией результатов.

Для повышения прочности и воспроизводимости межсоединений в ИМС применены
способы активации УЗ-микросварки путем
пропускания импульса постоянного тока
в момент сварки либо инфракрасным (ИК)
излучением. Активация импульсами ИК-излучения интенсивностью (2–5)E104 Вт/м2 позволяет осуществить термозвуковую сварку
соединений, снижает до минимума эффект
проскальзывания проволочного вывода
и приводит к увеличению фактической площади соединения. Разработан процесс ультразвуковой микросварки, включающий приложение к соединяемым элементам внешнего статического давления, подачу в зону
сварки УЗ-колебаний и нагрев элементов импульсами некогерентного ИК-излучения в течение цикла сварки всех выводов ИМС [6].
Схема устройства представлена на рис. 1.

При сварке проволочного вывода 8 с контактной площадкой 9 ИМС внешнее статическое давление прилагали к сварочному капилляру для деформации вывода в процессе
сварки.

Проволочной вывод и контактные площадки нагревали импульсами ИК-излучения от
ИК-лампы, закрепленной в фокусе параболического рефлектора, при амплитуде напряжения 80–100 В. Формирование амплитуды
и длительностей импульсов, а также управление процессом УЗ-микросварки осуществлялось по программе.

Для повышения качества и надежности микросварных соединений в процессе УЗ-микросварки корпусов ИМС, не содержащих драгоценных металлов, пропускали электрический ток через оба соединяемых элемента
в направлении, обеспечивающем электроперенос диффузионно-подвижного металла в соединении [7]. Реализация предложенного способа осуществлена по схеме, приведенной на
рис. 2. При микросварке алюминиевой проволоки 5 к контактной площадке 6 корпуса ИМС
один из полюсов блока токовой активации подавался на акустический трансформатор УЗ
технологической системы, а другой подключался к выводной рамке. Внешний вид устройства токовой активации [8] и микропроволочных соединений приведен на рис. 3. При токовой активации процесса УЗ-микросварки
прочность контактных соединений увеличивается до 12–15 сН при производительности
14 000–18 000 соед./ч. Длительность импульса тока составляла 30–60 мс. Поскольку в соединении Al-Ni алюминий обладает бóльшим
коэффициентом диффузии, чем никель, то создание постоянного электрического тока, проходящего через соединение, стимулирует процесс диффузионного взаимодействия в процессе микросварки.

Свойства микросварных соединений

Прочность микросварных соединений увеличивается при росте температуры ИК-активации и достигает максимума при 240 °С, так
как при повышении температуры увеличивается степень обжатия выводов на 15–20%.
При дальнейшем увеличении температуры
происходит значительное утоньшение микропроволоки вследствие пластической деформации, вплоть до ее разрыва, и поэтому прочность соединения уменьшается. Прочность
микросварных соединений по серебряным покрытиям значительно выше, чем по покрытию Ni-B, которое характеризуется более высокой микротвердостью [9].

C ростом величины тока активации прочность микросварных соединений увеличивается и достигает максимума при 50 мА.
При дальнейшем увеличении тока прочность
соединений уменьшается. Гистограммы прочности соединений по покрытию Ni-B при различных методах активации приведены на рис. 4.

Анализ гистограмм прочности показал, что
активация ИК-излучением увеличивает прочность соединений на 15–20%, а токовая активация — на 10–15%. Воспроизводимость результатов и их однородность выше при ИК-активации. Ширина сварной точки — наибольшая
с ИК-активацией при температуре 250 °С.
Параметры микросварных соединений для различных видов сварки приведены в таблице 1.

Вид сварки Ширина сварной
точки, мкм
Высота сварного
соединения, мкм
Степень обжатия
по высоте
УЗ-сварка 80 10 0,72
УЗ-сварка + ток 55 7,9 0,77
УЗ-сварка + ИК 150 °С 73 5,0 0,86
УЗ-сварка + ИК 200 °С 75 4,3 0,88
УЗ-сварка + ИК 250 °С 80 2,7 0,93

Проведены исследования свариваемости серебряных покрытий c ультрадисперсным алмазом (УДА) при различных режимах электролиза: на постоянном токе (ПТ), импульсном (ИТ),
реверсном (РТ), чередование постоянного и импульсного (ПТ+ИТ), постоянного и реверсного (ПТ+РТ), постоянного, импульсного и реверсного (ПТ+ИТ+РТ). Построены зависимости прочности микросварных соединений от
скважности тока (рис. 5а) и величины постоянного тока (рис. 5б) при осаждении покрытия.

Прочность соединений по осажденному при
постоянном токе покрытию с увеличением
плотности тока падает. Это объясняется тем,
что при увеличении плотности тока покрытие становится более рыхлым.

Прочность микросварных соединений, полученных по покрытию, осажденному на импульсном токе, зависит от скважности тока.
С увеличением скважности прочность микросварных соединений повышается до значения
16,7 сН при скважности 3,5. Дальнейшее увеличение скважности импульсного тока ведет
к уменьшению прочности микросварного соединения из-за уменьшения площади соприкосновения проволоки с покрытием. Это происходит из-за роста размеров зерен покрытия.
Активация процесса микросварки ИК-нагревом приводит к увеличению прочности в среднем на 15%, так как нагрев поверхности увеличивает пластичность материала покрытия
и, тем самым, площадь взаимодействия микропроволоки и материала покрытия.

С целью экономии драгоценных металлов
для изготовления ИМС используют корпуса
с покрытием сплавом Ni-B вместо золотого покрытия. Замена золотого покрытия на Ni-B
потребовала дополнительных исследований
влияния параметров проволоки и режимов
УЗ-сварки межсоединений на прочность микросварных соединений. В этой связи проведена оценка зависимости прочности межсоединений, полученных методом УЗ-сварки на
ЭМ 4020Б, алюминиевой проволокой диаметром 35 мкм по покрытию Ni-B от параметров
проволоки. Исследовалась разварка 14- и 16-выводных металлокерамических корпусов на оборудовании и оснастке, применяемой для соответствующих Au-корпусов. Физические параметры алюминиевой проволоки Ак0,9 ПТ-35
регулировались режимами ее отжига.

Полученные результаты по прочности
межсоединений и анализ их места обрыва
приведены в таблице 2. Установлено, что для
14-, 16-выводных корпусов по покрытию Ni-B
толщиной 6 мкм качественные микросварные
соединения могут быть получены при разварке проволокой с прочностью на разрыв 21–27 г
(относительное удлинение 1,5–4,0%). При использовании проволоки с прочностью на разрыв 20 г и менее и выше 28 г не удалось обеспечить образование качественных микросварных соединений по покрытию Ni-B.

Тип проволоки Параметры исходной проволоки Параметры проволоки
после отжига
Прочность соединений
на разрыв, г
Характер места обрыва
соединений при контроле
Ак0,9ПТ35 32–34 г
Ак0,9ПТ35 1–2%
18–20,5 г
2,5–5,0%
4,5–8,0 20% отлип от трав.
80% обрыв по пров.
21–27 г
1,5–3,0%
7,5–15,0 4% отлип от трав.
96% обрыв по пров.
28–30 г
1,0–2,5%
7,0–9,5 40% отлип от трав.
60% обрыв по пров.
Ак0,9ПМ35 21–25 г 3–5% не отжигается 8,0–14,5 4% отлип от трав.
96% обрыв по пров.

Таблица 2. Влияние параметров проволоки на свойства соединений

Оценка динамики изменения прочности микросварных соединений в процессе воздействия технологических факторов проведена для
14- и 16-выводных корпусов с покрытием Ni-B
по изменению прочности после термовыдержки при 150 ±50 °С в течение 48 часов и после
термоциклирования +150/–60 °С (табл. 3).
Анализ показал, что при воздействии как повышенной температуры 150 °С в течение 48 часов, так и при воздействии термоциклов происходит ухудшение сцепления сварных соединений с покрытием Ni-B, и при испытаниях
межсоединений на разрыв уже в 30–40% случаев имеет место отслоение сварных точек от
траверс, хотя и при значениях прочности на
разрыв, удовлетворяющих требованиям нормативно-технической документации. При использовании корпусов с покрытием золота
(толщина 3–6 мкм) при оптимальных режимах УЗ-сварки воздействие технологических
факторов приводит лишь к снижению прочности сварных соединений на разрыв без разрушения сцепления сварных точек алюминиевой проволоки с золотым покрытием. Это
позволяет говорить о том, что замена покрытия золота на корпусах ИМС на Ni-B не адекватна с точки зрения надежности их работы
при эксплуатации и не исключается вероятность отказов, связанных с разрушением сварных соединений на траверсе. Для улучшения
УЗ-сварки после перемотки и отжига проволоки целесообразно проводить «термостарение» проволоки перед разваркой: то есть выдерживать катушки с перемотанной проволокой при 100+10 °С в течение не менее 4 часов.
Это снимает остаточные механические напряжения в проволоке, улучшает ее свиваемость
с катушек в процессе разварки.

Тип
корпуса
Распределение
прочности
после разварки, г
Характер места обрыва
после разварки
После воздействия температуры +150 °С 48 ч После 20 термоциклов
+150/–60 °С
Распределение
прочности, г
Характер
места обрыва
Распределение
прочности, г
Характер
места обрыва
14-выв.
Ni-B
7,5–9 — 62%
9–11 — 26%
12–15 — 12%
4%-ный отлип
на трав.
96%-ный обрыв
6,5–8 — 28%
8,5–10 — 66%
10,5–11 — 6%
26%-ный отлип
на траверсе
74%-ный обрыв
60–8 — 30%
8,5–10 — 60%
10,5–11 — 10%
40%-ный отлип
60%-ный обрыв
6,5–8 — 28%
8,5–10 — 66%
10,5–11 — 6%
26%-ный отлип
на траверсе
74%-ный обрыв
60–8 — 30%
8,5–10 — 60%
10,5–11 — 10%
40%-ный отлип
60%-ный обрыв
2%-ный отлип
98%-ный обрыв
7,5–8 — 20%
8,5–10 — 80%
100%-ный обрыв
16-выв.
Ni-B
8–10 — 54%
11–12 — 36%
13–15 — 10%
100%-ный обрыв
по проволоке
6,0–8 — 24%
8,5–10,5 — 70%
10,5–11,5 — 6%
2%-ный отлип
98%-ный обрыв
7,5–8 — 20%
8,5–10 — 80%
100%-ный обрыв
14-, 16-выв.
Au
8–15,5 100%-ный обрыв 7,5–13 100%-ный обрыв 6,5–13 100%-ный обрыв

Таблица 3. Влияние технологических испытаний на прочность соединений

Для 16-выводных корпусов с покрытием
гальваническим сплавом Ni-B получены положительные результаты не только в процессе УЗ-сварки (табл. 3), но и после испытаний.
Случаи разрушения микросварных соединений при проверке прочности межсоединений на разрыв не превышают 2%. Отличие
в устойчивости микросварных соединений
к технологическим факторам (температура,
циклическое изменение температуры) для 14-
и 16-выводных ИМС обусловлено, по всей вероятности, тем фактом, что закрепление
16-выводных корпусов на позиции разварки
жесткое (ручной столик), а для 14-выводных
ввиду автоматической подачи кассеты-носителя в зону сварки — менее жесткое.

Кроме того, покрытие Ni-B наносится на
различную основу — ковар 29НК для 14-выводных и проводящая паста на основе вольфрама по керамике для 16-выводных корпусов.

Заключение

Качество микросварных соединений в значительной степени зависит от физико-механических свойств материалов и морфологии
поверхности покрытий контактных площадок. Гальванические покрытия, осажденные
импульсным током при низкой скважности,
имеют мелкозернистую структуру, более
плотную упаковку кристаллов и увеличение
опорной поверхности слоев за счет сглаживания их рельефа. Применение комбинированных режимов электролиза в сочетании с активацией процесса УЗ-микросварки позволяет получать стабильно высокую прочность микросварных соединений. Поэтому использование
таких покрытий в современных изделиях электроники дает возможность отказаться от золочения, а также применять локальное серебрение с меньшей толщиной, что обеспечивает
экономию благородных металлов и уменьшает себестоимость изготовления изделий.

Литература

  1. Емельянов В. А. Технология микромонтажа интегральных схем. Минск: Белорусская
    наука, 2002.
  2. Онегин Е. Е., Зенькович В. А., Битно Л. Г.
    Автоматическая сборка ИС. Минск: Высшая
    школа, 1990.
  3. Ануфриев Л. П., Емельянов В. А., Кушнер Л. К., Ланин В. Л., Хмыль А. А. Повышение качества сборки и монтажа интегральных схем // Электронная промышленность. 1990. № 5.
  4. Емельянов В. А., Достанко А. П., Ланин В. Л.,
    Хмыль А. А. Выбор покрытий для корпусов
    интегральных схем // Электронная техника. Серия 7: Технология, организация производства и оборудование. М.: ЦНИИ «Электроника», 1987. Вып. 1 (140).
  5. Емельянов В. А., Ланин В. Л., Хмыль А. А.
    Исследование свариваемости проволочных
    выводов с никелевыми покрытиями контактных площадок интегральных схем //
    Электронная техника. Серия 6: Материалы.
    М.: ЦНИИ «Электроника», 1986. Вып. 2 (213).
  6. Emelyanov V. A., Lanin V. L., Khmyl A. A.,
    Koguch E. I. New Process Micromounting of
    Integrated Circuits // Scientific Reports 13-th
    Intern. Conf. of the University of Applied
    Sciences Mittweida. 1998. № 5.
  7. Khmyl A. A., Dostanko A. P., Lanin V. L.,
    Emelyanov V. A. Materials and Technology of
    Contact Joins Made Ultrasonic Microwelding //
    Proc. of the 16-th International Conference on
    Electrical Contacts. 7–11 September 1992.
    Loughborough, England.
  8. Ланин В. Л., Хмыль А. А. Устройство токовой активации ультразвуковой микросварки // Сварочное производство. 1993.
    № 5.
  9. Ланин В. Л., Кушнер Л. К., Бондарик В. М.
    Свариваемость и паяемость композиционных серебряных покрытий для изделий электронной техники // Материалы докл. Междун. конф. “ELECTRONICS-2000”. Каунас,
    2000.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *