Ультразвукове зварювання

Ультразвукове зварювання використовується в електроніці через те що відповідає таким вимогам як: міцність з'єднання повинна бути близька до міцності з'єднувальних елементів мікросхем; з'єднання повинно мати мінімальний омічний опір; основні параметри процесу з'єднання (температура нагріву, питомий тиск і тривалість витримки) повинні бути мінімально можливими, з тим щоб не пошкоджувалися елементи схеми; виконувати з'єднання матеріалів різноманітних поєднань і типорозмірів; після з'єднання не повинно залишатися матеріалів, що викликають корозію; якість з'єднань повинно контролюватися простими і надійними методами.

Ультразвукове зварювання використовується при збиранні та монтажу ВІС. Збирання мається на увазі механічне та (або) електричне приєднання кристалів напівпровідникових ІМС до підкладки з вивідними рамками і до підкладок інших типів, а також приєднання до ІМС дротяних виводів для зовнішніх (по відношенню до ІМС) зв'язків.

Іншим прикладом використання ультразвукових технологій є збирання без корпусних ІМС на полімідних носіях з алюмінієвими виводами, яке детальніше буде розглянуте згодом.

Зараз розглянемо використання ультразвукового зварювання при збиранні та монтажу ВІС.

В залежності від матеріалів виводу і контактної площадки, а також конструктивного виконання ІМС застосовують такі види мікрозварювання: імпульсну, термокомпресійну, ультразвукову, лазерну та інші.

Для з'єднання золота з алюмініем, а також двох алюмінієвих деталей застосовують ультразвукову (УЗ) зварювання (рис.1). При підключенні обмотки збудження до УЗ генератору електричні коливання за допомогою магнітострикційного перетворювача трансформуються в поздовжні механічні коливання, які за допомогою хвилеводу-концентратора 4 посилюються по амплітуді до 0,5 ÷ 2,0 мкм і через інструмент передаються деталям. 

У матеріалі деталей, що з'єднуються виникає складний напружений стан, що приводить до деформації в зоні дій інструменту, де одночасно за рахунок тертя виділяється тепло. Наявна на поверхні алюмінію плівка оксиду при впливі ультразвуку руйнується, оголюючи чисті поверхні, які і з'єднуються між собою. Основні параметри УЗ зварювання: частота 60 ÷ 80 кГц, тиск 20 ÷ 450 Н/мм2. Амплітуда коливань 0,5 ÷ 2 мкм. Зварювальні деталі повинні бути чистими, не мати грубих дефектів. Інтенсифікації процесу УЗ зварювання сприяє непрямий імпульсний нагрів інструменту (комбінована зварювання). При цьому підвищується міцність з'єднання при меншій деформації виводів, можна з'єднувати між собою важко зварювальні деталі. Недоліком УЗ зварювання є необхідність високої пластичності матеріалу провідника, так як його відносна деформація в місці зварювання звичайно становить 40 ÷ 60%.

Застосування УЗ мікрозварювання дозволяє здійснювати приєднання алюмінієвих балкових виводів. Однак при використанні зварювального інструменту для одночасного приєднання всіх виводів ВІС внаслідок різної товщини і не площинності поверхні комутаційної плати спостерігається нестабільність міцнісних властивостей мікрозварюваних сполук. Крім того, такі сполуки мають низьку ремонтопридатність, так як при заміні кристала ВІС повторна сварка здійснюється на вже використаної контактної майданчику комутаційної плати, що різко знижує надійність мікросварного з'єднання.

Ультразвукове зварювання здійснюється при підведенні до зварюваних деталей енергії механічних коливань ультразвукової частоти з одночасним додатком навантаження (рис. 2).

Суть методу ультразвукового зварювання полягає у виникненні тертя на поверхні розділу між сполучними тілами. Передача енергії від магнітострикційного перетворювача здійснюється за допомогою зварювальної голки, яка притискає провідник до контактного майданчику. Ультразвукову зварку можна порівняти з явищем захоплення і заїдання між двома притиснутими один до одного незмащеними поверхнями. Магнітострикційні перетворювач передає вібрацію на голку так, щоб вона вібрувала паралельно поверхні.

Ультразвукове мікрозварювання і комбіновані способи зварювання успішно використовуються при виготовленні гібридних схем, транзисторів і інтегральних схем. В мікроелектроніці використовуються наступні способи ультразвукового та комбінованого мікрозварювання: зварювання поздовжніми і поздовжньо-поперечними коливаннями; зварювання крутильними коливаннями; зварювання з непрямим імпульсним нагріванням; термокомпрессія з ультразвуком.

Основними параметрами процесу при ультразвуковому мікрозварюванні є амплітуда коливань, робочого торця, інструменту, яка залежить від електричної потужності перетворювача і конструктивного виконання коливальної системи; зусилля стиснення зварюваних елементів; тривалість включення ультразвукових коливань. При комбінованому методі зварювання (УЗЗНН) регульованими параметрами також є температура нагріву інструменту або виробу, час відносного зміщення імпульсу ультразвуку та нагрівання. Процес ультразвукового мікрозварювання поздовжніми і поздовжньо-поперечними коливаннями характеризується малими амплітудами коливань (1 -10 мкм) і відносно великими питомими тисками (0,5-1 σc зварюваного матеріалу).

Ультразвукове мікрозварювання застосовують для виконання монтажу гнучкими провідниками, приєднання кристала до корпусу, бездротового монтажу інтегральних схем методом «перевернутого кристала», приєднання плоских висновків до кремнієвим кристалам діодів.

Холодне зварювання здійснюється за рахунок пластичної деформації зварюваних деталей під дією тиску без додаткового підігріву. Для отримання високоякісного зварного з'єднання при холодному зварюванні необхідно забезпечити точну збірку і чистоту зварюваних поверхонь і необхідний ступінь деформації, що залежить від з'єднувальних металів (від 35% для поєднання золото + золото до 80% для поєднань мідь + мідь, мідь + ковар і ковар + ковар) В мікроелектроніці цей спосіб застосовується для герметизації металлостеклянном корпусів приладів.

Мікрозварювання тиском з утворенням евтектики полягає в нагріванні деталей до температури утворення евтектики з'єднуються матеріалів при одночасному стисканні і подачі коливань (при необхідності). Спосіб найбільш прийнятний для безпосереднього приєднання плоских золочених виводів до напівпровідникових кремнієвих кристалів, якщо потрібно порівняно велика площа контакту (0,2 - 2 мм²), при з'єднанні кристалів інтегральних схем з позолоченою поверхнею корпусу, при з'єднанні мідних пелюсткових виводів, покритих оловом, з позолоченими виступами на кристалі ІС.

Мікроплазмове зварювання є різновидом зварювання плавленням. Відмінна особливість процесу - створення іонізованого потоку інертного газу (суміш аргону з гелієм до 70%, з воднем до 10…15% або азотом). Розплавлення металу відбувається стислою дугою прямої дії і потоком щільної іонізованої плазми. Цей спосіб зварювання застосовується для герметизації корпусу приладів з ковара або нікелю товщиною 0,1 - 0,3 мм. При цьому сила струму становить 5 - 10 А, швидкість зварювання 15 – 150 м/ч.

Ультразвукове зварювання застосовується в тих випадках, коли небажано плавлення з'єднуваних частин, а також при зварюванні металів, які істотно відрізняються електро і теплопровідністю, при зварюванні металів з керамікою та склом. Для виконання монтажних з'єднань в мікросхемах застосовують ультразвукові генератори потужністю близько 100 вт на частоту ≈ 20 КГц з амплітудою коливання інструменту ≈ 10 мкм. Амплітуда коливань повинна бути спрямована вздовж осі зварюваного дроту для зниження ефекту прослизання. УЗ зварювання застосовна і для виконання з'єднань з склометаллевими емалевими плівками.

Результатом впливу ультразвукових коливань є три процеси: ріст площі контакту, руйнування окисних плівок і нагрівання металу в зоні зварювання. Розглянемо ці процеси докладніше.

З збільшенням тангенціальною навантаження починається збільшення площі контакту. В перерізах, паралельних площині контакту, з'являються напруги зсуву. В результаті кожен контактуючий елемент (мікровиступів поверхні) знаходиться в складному напруженому стані під дією нормальної та тангенціальною навантажень. Площа контакту, коли прикладена ультразвукова тангенціальна навантаження, зростає в кілька разів. Знакозмінна деформація, що викликається механічними коливаннями, призводить до появи великого числа плям торкання і до розростання їх у вузли схоплювання.

Механічні коливання ультразвукової частоти викликають тертя на поверхнях металів, що призводить до руйнування окисних плівок. Осколки плівок виштовхуються в зазори між мікровиступів.

Тертя призводить також до інтенсивного виділення тепла в зоні контакту. Під впливом цього тепла метал мікровиступів переходить в пластичний стан, що за наявності нормальних і тангенціальних зусиль викликає його текучість. Утворюється область схоплювання по всій площі під голкою зварювального інструменту. Частота ультразвукових коливань при зварюванні контактних зволікань з плівкою мікросхеми не вище 50 кГц. Амплітуда коливань голки становить не більше кількох мікрон, щоб не зруйнувати плівку контактної площадки. Однак для цього потрібно ретельно підтримувати обраний режим, що в виробничих умовах важко. Ультразвукову зварку найчастіше застосовують у лабораторних умовах.

Ультразвукове зварювання придатне для м'яких і пластичних металів: золота, алюмінію і мідно-марганцевого сплаву, але не для ніхрому і танталу. Основні труднощі ультразвукового зварювання полягають в регулюванні тиску, що притискає голку до контактного майданчику. Надмірний тиск розчавлює дротик вивода або викликає стирання плівки. Малий тиск не призводить до зварювання. Тому зручно використовувати для точного регулювання тиску пневматичну систему.