‘ Монтаж микросхем. Электршшс-лу’ чевая сварка проволок с шариком на конце (обычно из золота, меди, никеля, алюминия диаметром 30—100 мкм) и тонкопленочными контактными пло­щадками (из меди, золота, никеля, алюминия, толщина слоя 1 мкм) дает надежные и воспроизводимые (по сравнению, например, с термоком­прессионной и ультразвуковой свар­кой) сварные соединения.

Для оценки качества сварки при визуальном контроле соединений проводников с металлическими плен­ками предложен коэффициент формы сварного соединения [14] k — hid, где ft — высота сварного соединения (растекшегося шарика); d — диаметр его основания.

Влияние основных параметров ре­жима электронно-лучевой сварки (ускоряющее напряжение, сила тока луча, время сварки) на геометриче­ские характеристики сварного соеди­нения показано на рис. 13.4—13.7.

Оптимальное значение коэффициен­та формы выбрано по результатам исследований внешнего вида, микро­структуры, прочности и электрофизи­ческих характеристик сварных соеди­нений.

Рис. 13.4. Зависимость диаметра контакта от времени сварки при различных значе­ниях силы тока ЭЛ при V — 35 кВ:

/ — / = 200 ыкА; 2 — I = 150 мкА; 3 —
1 = 100 мкА; 4 — 1 ~ БО мкА [И]

Вис. 1Ї.6. Зависимость диаметра контакта ог силы тока ЭЛ при различном времени сварки, и = 35 кВ [14]

При к < 1 обеспечивается прочность сварного соединения выше прочности проводника. С уменьшением диаметра контакта {к > 1) прочность сварного соединения становится ниже проч­ности проводника и d случае хорошей адгезии разрушение при отрыве про­водника сопровождается вырывом ма­териала подложки.

Электронно-лучевая микросварка обеспечивает 100 %-ную воспроизво­димость получения требуемых значе­ний коэффициента формы сварного соединения, т. е. нужной степени ка­чества, Поэтому при монтаже интег­ральных микросхем электронно-луче­вой сваркой коэффициент формы k

Рис. 13.6* Зависимость диаметра контакта от ускоряющего напряжения при различ­ном времени сварки (/ = 100 мкЛЦИ]

является критерием качества сварного соединения.

Герметизация корпусов интеграль­ных микросхем электронно-лучевой сваркой. Способы герметизации инте­гральных схем разнообразны. Наибо­лее простые — это заливка или опрес­совка интегральных схем (ИС) орга­ническими и неорганическими мате­риалами. Очень перспективна герме­тизация в пластмассовых корпусах. Для повышения надежности ИС их герметизируют в корпусах, выполнен­ных из неорганических материалов (металлы, стекло, керамика).

Для защиты ИС широкое распро­странение получили металлостеклян­ные корпуса, герметизация которых осуществляется сваркой плавлением и контактной. ■

При герметизации корпусов свар­кой плавлеиием (ЭЛ, микроплазма) и контактной сваркой (роликовая шовная, контактная) следует решить три основные задачи: выбрать мощ­ность источника, обеспечивающую за­данную глубину проплавления кромок корпуса; определить температуру разо­грева элементов корпуса и ИС при гер метизации; свести к минимуму газовы* деление из материала гальваниче­ского покрытии, приводящее к пори­стости (яегермвтичности)сварного шва.

Защиту гибридных интегральных схем (ГЙС) от внешних воздействий осуществляют либо помещением их в корпус со свободным внутренним объемом, либо заливкой полимерными материалами. В зависимости от предъ­являемых к ГИС требований исполь­зуются разные методы защиты 15] (рис. 13.8).

1 г J

Рис. 13.в. Корпус интегральной микро-
схемы:

! — металлический вывод; 2 — изолятор
(стекло); 3 — осноивнне корпуса; 4 —
крышка; 5 — подложка; Є — слой клея
(припоя)

Наиболее эффективны для защиты корпуса из неорганических материалов (металлов, стекол, керамики).

Корпус должен обеспечить механи­ческую прочность и герметичность (в ряде случаев — вакуумную плот­ность) в условиях длительного хра­нения при колебаниях температуры от 208 до 423 К, тропического климата (влажность 98 %, температура 313 К), длительного воздействия темпера­туры 423 К.

В большинстве случаев корпуса вы­полняют либо круглыми, либо прямо­угольными. Несущим элементом кор-

am -10s

Рис. 13,11. Относительное удлинение не­которых материалов при изменении темпе­ратуры [15],-

I — медь; 2 ~ никель; 3 — коррозионно- стойкая сталь; 4 — прецизионный сплав; S — титан; S — высокоглиноземиегая ке­рамика; 7 — молибден; 3 — алюмосили­катное стекло; 9 — кварц

луса является металлическое или ке­рамическое основание. По периметру основания корпуса располагают вы­воды. К средней части основания крепят кристалл или подложку (рис. 13.9, 13.10).

Диэлектрические и металлические материалы, из которых изготовляют детали и узлы корпусов, выбирают, исходя из условия совпадения их коэффициентов термического расшире­ния (рис. 13.11).

Расчет температур в корпусе при его герметизации. Рассмотрим герметиза­цию прямоугольного металлического корпуса по контуру. Задача сводится к определению распространения теп­лоты в ограниченной пластине при дей­ствии линейного источника. Ограни­ченность размеров пластины (сварка по краю пластины) компенсируем уве­личением мощности источника в 2 раза.

Используем уравнение распро­странения теплоты быстр о движуще­гося линейного источника в пластине

Т (!/„, 0 — [Ш’ДосвЛ X

X ехр [—уЦ(Ш) —Ы). {13.9)

В точке Уо = 0,1 см спустя t = 1 с Т = 820 К. В точке = 1 см (при­мерно середина основания корпуса) спустя 9 с Т — 135 К. Максимальная температура [23]

Г щах = [0,484Г/(уовсрА2<л,)] X

X[l-fttf/(2to)], (13.30)

где 0,484 = ]Л2/(яе). В точке с = = 1 см Гдідх ■■ 135 К.

После герметизации всех четырех сторон квадратного корпуса (супер­позиция) температура в центре кор­пуса (точка Л) с учетом комнатной температуры составляет Т= 4-135 + + 300 = 840 К (рис. 13.12, 13.13).

Таким образом, при герметизации необходимо использовать массивные теплоотводящие оправки, имеющие хороший контакт с элементами кор­пуса. Тогда схема распространения теплоты сводится к случаю нагрева

Рис. 13.13. Кривые распределения темпе­ратуры в основании корпуса в направлении от центра л о нормали к траектории движе­нии луча в равные моменты времени после сварки одной стороны корпуса: а — постоянный режим, q = 300 Вт; б — импульсный режим, ?Ср = ЗБ Вт

мощным быстродвижущимея точечным источником

Т {уо, 2ц, t) = W i(2n’kvcJ) х X ехР [(,~Уо + *о)/(4яО]- (13.11)

В точке с Уо= 0,1 см на поверх­ности корпуса (го = 0) спустя t = 1 с Т (0,1; 0; 1)= 110 К.

В точке с уо— 1 см спустя t = 9 с Т (1; 0; 9) = 7,1 К.

Температура в центре корпуса после герметизации четырех сторон с учетом комнатной температуры составляет Т = 4-7,1 + 300 я: 330 К.

Для предотвращения разогревов ИС герметизация корпусов сваркой плавлением концентрированными потоками энергии должна прово­диться с использованием приспо­соблений для отвода тепла (рис. 13-14—13.19).

Рис. 13.16. Схема работы приспособ­ления для электронно-лучевой сварки корпусов по прямоугольному контуру: / — теплоотводящая оправка; 2 — корпус; з — копир; 4 — стол (фто­ропласт); В — магнит; Є — ролик

Рис. 13.19. Контактирование тепло отводя щей оправки о основанием корпуса через слой
жидкости (вакуумное масло) и без него:

а — схема контакта без жидкости; б — схема растекания капли жидкости в зазоре; в —
схема контакта через жидкость (минимальное тепловое сопротивление); е, д — общин

вид оправок

Выбор режимов герметизации кор­пусов микросхем электронно-лучевой сваркой. При инженерных расчетах герметизации сваркой режимы нагрева азделяют на «мягкие» и «жесткие» 10, 11, 13]. Под «мягкими» пони­мают режимы, при которых скорости ввода энергии в зону сварки меньше, чем скорости отвода тепла теплопро­водностью. «Жесткими» называют режимы нагрева, когда скорость ввода энергии больше скорости отвода.

Задача выбора оптимального ре­жима сводится к определению диапа­зона «мягких» режимов нагрева, так как переход к «жестким» режимам связан с интенсивным испарением сва­риваемых металлов, что приводит к вы­плескам, прожогам, т. е. негерметич — ности корпусов.

Расчетными и экспериментальными методами установлено существование довольно узкой области критического теплового потока q*, разделяющего «мягкие» и «жесткие» режимы нагрева.

Тепловая эффективность герметиза­ции. Сосредоточенный источник теп­лоты, перемещаясь по кромкам кор­пуса со скоростью оС1,, проплавляет зону металла с площадью поперечного сечения Sn, с — Проплавление можно рассматривать как нагрев заданной зоны металла выше температуры плав­ления Тпп, которой соответствует удельная теплота фазового перехода Нил [Дж/кг]. Чтобы прогреть зону с площадью поперечного сечения Sn, а до температуры Тпп, необходим рас­ход теплоты tic, S г,, upffUJi. Однако вследствие потерь на теплопровод­ность требуемая для проплавления зоны с помощью поперечного сечения Srr, с мощность oSu, 0рЯпл всегда меньше мощности источника W = IU,

Тепловую эффективность проплав­ления характеризует полный тепло­вой КПД т)цр [23], выражающий от­ношение расхода мощности, необходи­мой для проплавления металла в еди­ницу времени, к полной мощности источника:

т)пр = Ц’Ьп, ирЛфл/1Р, (13.12)

где Иил = сТлл Т. цл,‘ Lun оп­лота плавленая.

Проплавление металла складывается из следующих процессов: нагрев ме­талла; прогрев зоны металла до за­данной температуры сосредоточен­ным источником q.

Поэтому полный тепловой КОД представляется в виде гідр = %т|.(, где т]и — эффективный КПД нагрева; т)т — термический КПД проплавле­ния.

Эффективный КПД процесса на­грева Т|я выражает отношение эффек­тивной ТеПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ЇРдф, т. е. теплоты, введенной источником за единицу времени в металл, к полной тепловой мощности W источника:

%, = №Уф (13.13)

Коэффициент На характеризует эф­фективность процесса выделения теп­лоты и теплообмена в зоне нагрева и зависит от технологических условий сварки. Например, для электронно­лучевой сварки коэффициент т)и прак­тически определяется коэффициентом отражения электронов [24]:

Ли=1 — М» (13.14)

где йэ яй 0,454-0,5 — коэффициент, учитывающий энергию отраженных электронов; к — коэффициент отра­жения электронов, для диапазона ме­таллов от вольфрама до алюминия к яй 0,5-3-0,05.

Термический КПД проплавления металла

~|т Осв^п. сР^пл/^зфі (13.15)

выражает отношение мощности исп5п. грЯцл, затраченной на про­плавление металла, к эффективной мощности источника. Коэффициент г)т характеризует эффективность исполь­зования тепловой энергии, введенной подвижным сосредоточенным источни­ком, и определяется распространением теплоты в металле вследствие тепло­проводности.

В условиях герметизации корпу­сов ЭЛ и ЛИ % « O. l-i-0,2.

Определение глубины проплавления при герметизации. Рассмотрим связь геометрии зоны проплавления с ха­рактеристиками источника теплоты.

Пусть эффективная мощность нор­мально-кругового источника постоян на, но меняется его коэффициент со, средоточенн ости к. Для электронно.

лучевой сварки это равносильно изме­нению степени фокусировки ЭЛ.

Экспериментально f 241 установ­лено, что в таких условиях геометрия зоны проплавления существенно из­меняется, по ее площадь остается постоянной. Характер изменения изо­термы плавления при этом аппрокси­мируется законом нормального рас­пределения. Геометрия зоны пропла­вления в некоторой степени повторяет гауссово распределение источника, но с другими коэффициентами распреде­ления {рис, 13.20).

Объем зоны проплавления, полу­ченной в течение импульса длитель­ностью /Имп. составляет

Упр = ЛтахЛ/й*. (13.16)

Секундный объем расплавленного металла

^имп = Лтахя/(&*^имп)- (13.17)

Из выражения (13.15) учитывая, что — % 1Г, получаем секундный объем расплавленного металла

t’cH’Sji. о = (13.18)

Сравнивая выражения (13.17) и (13.18), получаем

т]иг|т1Е7/(р//пл) = ЛпихЯ/(/г*іиип)-

(13.19)

Полагая, что ширина свариваемых кромок корпуса 26 соответствует диа­метру зоны нагрева di/e = 2Ь, полу* чаем

dl/e = 2/у¥: к* ~ I/6а.

Из (13.19) с учетом к* для импульса длительностью /имц глубина пропла­вления

Лтах = Т|иТ|Т’Й’7пю/(я63р//ГТЛ). (13,20)

При сварке в непрерывном режиме можно положить, что 1НИП tv d]/e/acn= = 2 btv№.

Тогда

^max ™ ЧиЧИІРДп (26) ооврИ11л).

(13.21)

Пример выбора режимов герметизации корпуса. Рассмотрим электронно-лучевую сварку деталей корпуса (рис. 13.21 — 13.23) из прецизионного сплава (28 % N1, 18 % Со, остальное — Fe) и методику выбора режимов герметизации. Примем, что сум-

Риг. 13.20. Связь геометрии зоны про*
п дли лен п я с хара ктер истинами и сточ и и к а
топлоты

марная толщина сварных кромок 2Ь —-

— 2« 0,3 мм. Теплофизическне константы

ковара следующие: плотность р —

= 8,35 г/см3, удельная теплоемкость с =• = 0,Б кДж/(кг*К), теплопроводность А = ■= 20 ВгДм* К), температуропроводность а — 4,6* Ю"в м*/с, температура плавления Гпл = 1723 К, температура кипения 7*кип— 3300 К, удельная теплота фазо­вого превращения (плавления) £пл = = 280 гсДж/кг, удельная теплота фазового превращения (испзреиия) Аисп "* = 6400 кДж/кг.

Из экспериментальшах данных следует, что мощность сварки составляет 200— 300 Вт. Для да иного случая при W “

— 200 Вт в ускоряющем напряжении U = 20 кВ сила тока луча / = цШ =а = 1-Ю-* А.

Обычно радиус луча выбирают примерно равным толщине кромки м 2£>), поэто­му удельная мощность ц = =

=“ 5-Ю4 Вт/см*, где = 0,7.

Проплавление на заданную глубину А включает переходный период длитель­ностью ґр, по Истечении которого начи­нается интенсивное испарение.

f

/ — луч; 2 — крышка; 3 —•■ основание кор­пуса

Рис. IS.!2. Корпус микросхемы после гер-
метизации з л е ктро ни О-л учев оА_с в арк О й

Время

fpи о/Чо = й [р (сГкип + Скип)]2/’2 —

“8,5>10“* с» (13.25)

где Va “ скорость испарения (скорость Движения фронта испарения)» см/с*

Рис, 18,28. Микрошлиф сварного соедине-
ния после герметизации электронно-луче*
вoft сваркой:

о — детали корпуса без гальванического
покрытия; 6 — на основании корпуса ни-
келевое покрытие (суммарная толщина
свариваемых кромок 0,4 мм)

Герметизируют корпуса обычно на «мяг­ких» режимах, которые обеспечивают фор­му проплавления, близкую к полусфериче­ской. «Жесткие» режимы используют для сварки деталей большой толщины. Гра­ница между этими режимами определяемся критической удельной мощностью, по до­стижении которой начинается интенсивное испарение жидкого металла,

С учетом уравнения 113.22) скорость сварки на «мягком» режиме мыбираем из условия

vcs > 2h/t0 > 2"3*10_2/(8,б" 1jG-s) > 0,7 см/с.

(13.23)

Для «жестких» режимов сварки условие ( 13,23) имеет вид исн < 2£>/f(,,

Величина д* = р (сГкнп + Д. исп) х

X У мсв/{2Ь) = 8* 10* Вт/сы*.

Сравнивая qФ н qt убеждаемся, что усло­вие «мягкого* режима q <q* при = — 1 см/с соблюдается.

Связь мощности ЭЛ с глубиной про­плавления при т|т = 5,1 определим по формуле (13.21):

<*/4J2&W (сТиа + Ьпя)

Эксперименты показали, что ^ля мягких режимов сварки гт — 0,084-0,16.

Подученная по формуле (13.21) глубина проплавления (обычно h = 0,24-0,5 мм),

как правило» обеспечивает заданную гер­метичность корпуса.

Рис. 13.24. Схема сварки прямоугольного корпуса (2) путем его вращения вокруг оси; 2ф — угол сходимости луча /; ft — максимальное отклонение от фокальной плоскости

Расс и от р ни герметизацию в импульсном режиме. Частоту следования импульсов f (Гц) для «мягких» режимов выбираем из условия 100 >} > [n/(4i!)]. Для дан­ного случая

а

46*

Выберем / = 15 Гц. Тогда при условии, что коэффициент перекрытия сварных то­чек kn =■ 0,7, для скорости сварки в им­пульсном режиме, получим

t)CB = 26/ (1 -*п)= 2-a. lQ-*-1.5-10 X
X (і—0.7) =0.27 см/с.

При длительности импульса /,)Мц = = 25 мс средняя мощность сварки в им­пульсном режиме составит 117 = ~ Т1д7£7/^нмп = 52,5 Вт.

Использование импульсных режимов при сохранении герметичности корпусов позво­ляет существенно снизить их разогрев. Глубину проплавления в течение одного импульса определим по формуле <13.20)

ЯІ, гР (СГЕЛ + Vi)

По экспериментальным данным термиче­ский КПД н импульсном режиме возрастает примерно в 2 раза по сравнению с термиче­ским КПД в непрерывном режиме, т. е. Пт = 0,12-4-0,30 (табл. 13.4).

Характеристикой импульсного режима является его скважность (мера жесткости режима)

0 = *имп/(*иміі + fn) “ ,имп^1 (13.24)

где fn — длительность паузы между им­пульсами.

Требуемый набор импульсных режимов лежит в пределах 0,1 < С <1. При О = = 1 имеет место непрерывный режим
сварки, при О < 0,1 — режим обработки (сверление отверстий, пазов). Для рас­сматриваемого случая G — (/ = 2,5- 10-гХ X 1,6.10 = 0,375.

При герметизации прямоугольных кор­пусов для того чтобы не применять слож­ные копировальные устройства для переме­щения корпуса поааданиому контуру, пря­моугольный корпус вращают вокруг оси, перпендикулярной к оси ЭЛ (рис, 13.24, 13.25). Все точки периметра корпуса после­довательно проходят ПОД ЭЛ на различном расстоянии (вьпне или ниже) от оптималь­ного положения фокуса луча. Максималь­ное отклонение от фокальной плоскости можно определить из следующего соотно­шения [241;

ft» < b ctgq> [(fl/ї**)1/2— l]i (13.23)

где ф — половина угла сходимости ЭЛ; tf** — критическая удельная мощность, при которой из-за расфокусировки луча еще обеспечивается проплавление металла.

13.4. Значения эффективного КПД тіл и термического КПД 1)1 при герметизации различными методами сварки

Сварка

Чи

в режиме

постоин-

: НОМ

о

л

CS 3 о X X

Э л ектр они о — л у чо ва я

0.7—0,8

0,1

0.2

Лазерная

0.7

0.1

Мккроплазменная

0.6—0.7

0,1

Контактная кок тур-

0,5—0,6

0,]

пая

Для рассматриваемого случая при сварке в непрерывном режиме

9"=Р(еГші + £ші) /О0ов/<2Й>- Для импульсного режима

Ч** —р (сГпл + ^дп) ]fa4ими-

Оценка ft по формуле (13.25) яри поло­вине угла сходимости луча <р = 5° (ко­роткофокусные системы) дает ha < 5,4 мм.